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Chimie Combustion

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Table des matières ............................................................................... 3 

Introduction générale ......................................................................... 4 

Chapitre 1 : Généralités sur la matière ........................................ 7 

Chapitre 2 : Les liaisons chimiques.............................................13 

Chapitre 3 : Réactions chimiques.................................................19 

Chapitre 4 : Electrochimie...............................................................27 

Chapitre 5 : Thermodynamique des réactions.......................49 

Chapitre 6 : Du gisement à la pompe..........................................55 

Chapitre 7 : Le pool essence ...........................................................73 

Chapitre 8 : Les gazoles ....................................................................88 

Chapitre 9 : Gaz de pétrole liquéfié (GPL ou LPG) ................94 

Chapitre 10 : Les huiles ....................................................................96 

Chapitre 11 : Les graisses.............................................................104 

Chapitre 12 : Liquide de frein.....................................................106 

Chapitre 13 : Liquide de refroidissement..............................108 

Chapitre 14 : Peinture pour l’automobile..............................109 

Table des matières 

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Le cours de chimie présenté est un cours spécifiquement orienté pour les étudiants dont 

le centre d’intérêt est  le secteur de  l’automobile. L’objectif du cours est de donner aux 

étudiants  de  la  section  les  connaissances  de  base  qui  leur  permettront  de  mieux 

maîtriser  certaines  composantes  techniques  du  secteur  automobile.  De  fait,  le  monde 

automobile  utilise  de  plus  en  plus  des  produits  issus  du  secteur  pétrochimique.  Non 

seulement  les hydrocarbures,  comme  les huiles et  les peintures évoluent  constamment 

mais  le  technicien  dispose  d’une  gamme  de  produits  spécifiques  pour  l’entretien  et  la 

réparation  des  véhicules.  Connaître  les  spécificités  de  ces  produits  devient  une 

composante incontournable pour tout technicien expert automobile. 

 

L’application directe de ce cours se retrouve en deuxième année où six manipulations en 

laboratoire l’illustreront.  

    

Ing. Massimo Marotta MSc  

          

Introduction générale 

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  La chimie dans le monde de l’automobile ?    

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 1.1. Introduction : Définitions générales.  Tout  ce  qui  nous  entoure,  qui  a  une  masse,  et  occupe  un  certain  volume,  constitue  la matière ‐ produite  lors du Big Bang ,  il y a 13,7 milliards d'années. Elle est formée d'objets élémentaires :  les  atomes.  Ces  derniers  sont  constitués  des  trois  types  de  particules :  les électrons, les protons ainsi que les neutrons.  

Figure 1 : visualisation de l'atome 

  Les  propriétés  mécaniques,  thermiques,  chimiques  et  physiques  de  la  matière  sont conditionnées par le type d’atome qu’elle renferme.   

Un corps pur est composé d'un seul type de constituant (contraire de « mélange »). 

Corps pur élémentaire : 

• Corps constitué d'atomes d'une seule sorte, mais non associés en molécules.  o Cuivre : Cu 

Corps pur simple : 

• Corps constitué d'atomes d'une seule sorte, associés en molécules .  o Hydrogène : H2 

Corps pur composé : 

Chapitre 1 : Généralités sur la matière 

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• Corps constitué de molécules constituées à partir d'atomes de plusieurs sortes  o Exemple : eau H2O 

1.2. L’atome.  Le  concept  d'atome  est  particulièrement  bien  admis  par  le  grand  public,  pourtant, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques  rares  physiciens  manipulent  des  atomes  isolés.  L'atome  est  donc  un  modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause, il a beaucoup  évolué  au  cours  du  temps  pour  répondre  aux  exigences  des  nouvelles  théories physiques et correspondre avec les différentes expérimentations effectuées.  Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps  simple  pouvant  se  combiner  chimiquement  avec  une  autre.  Il  est  constitué  de particules élémentaires appelées protons, neutrons et électrons.  Au début du vingtième siècle, des expériences de physique nucléaire ont mis en lumière le structure de l’atome selon le modèle dit « planétaire ».  

 Figure

Figure 2 visualisation du nuage électronique  Il a été montré que l’atome est constitué de deux entités : le noyau enfermant les protons et neutrons (appelés « nucléons ») ; ainsi que les électrons qui gravitent autour de celui‐ci telle la lune autour de la terre. Les électrons se répartissent dans les trois directions de l’espace suivant  plusieurs  couches  dites  « couches  électroniques »,  également  appelées  « nuage électronique ».  La  quasi‐totalité  de  la masse de  l’atome est  centrée  sur  le  noyau.  En  effet,  la masse d’un proton  est  pratiquement  égale  à  celle  d’un  neutron,  tandis  qu’un  électron  à  une  masse environ 1840 fois moindre que celle d’un nucléon.  

• masse du neutron : 1,67482 10‐27 kg • masse du proton : 1,67952 10‐27 kg • masse de l'électron : 0,9109 10‐30 kg 

 

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D’autres expériences ultérieures ont montré l’existence de charges électrostatiques au sein d’un  atome.  En  effet,  les  protons  sont  chargés  positivement,  les  électrons  le  sont négativement  et  les  neutrons  n’ont  pas  de  charge.  Il  en  résulte  que  le  noyau,  constitué rappelons‐le de neutrons et de protons, est chargé positivement.   Sachant  que  des  charges  de  même  signe  se  repoussent  et  que  des  charges  de  signes contraires  s’attirent,  les  électrons  (charges  négatives)  sont  attirés  par  le  noyau  (charge positive). Vu l’existence de cette attraction, il faut donc que les électrons "tournent" autour du noyau afin que la force centrifuge compense cette force d'attraction centripète (orientée vers  le  centre).  Ajoutons  enfin  que  dans  le  cas  d’atome  à  l’état  fondamental,  le  nombre d’électrons est égal au nombre de protons. Il est évident que la somme des charges positives et négatives est nulle, ce qui signifie que la charge globale de l’atome vaut zéro, donc qu’il est « électriquement neutre ». 

• charge d'un électron : ‐ 1,6 10‐19 coulombs. • charge d'un proton : + 1,6 10‐19 coulombs. 

 Il existe une multitude d’atomes. Ceux‐ci diffèrent par le nombre de protons, de neutrons et d’électrons  qui  les  constituent.  Ils  ont  donc  une  masse  différente  vu  que  le  nombre  de nucléons change.  Des atomes qui ont le même nombre de protons font partie du même type d’atome. C’est‐à‐dire que  tous  les atomes  contenant 6 protons  sont des atomes de  carbone. Par  la même, ceux qui possèdent 26 protons sont tous des atomes de fer. Le fer et le carbone font partie des 106 éléments actuellement connus. Ceux‐ci sont classés dans le tableau périodique des éléments, appelés le tableau de Mendeleïev, du nom d’un chimiste russe qui, en 1869, classe les atomes par masse croissante, et remarque qu'il y a une périodicité dans leurs propriétés chimiques.  Il  établit  donc un  tableau  classant  les  éléments ;  les  trous  dans  ce  tableau ont permis et permettront encore de découvrir de nouveaux éléments. Le tableau périodique est disponible dans la partie « Annexe » de ce syllabus.   Comme dit plus haut,  lorsque  l’on modifie  le nombre de protons d’un élément, on change d’élément.  Prenons  l’exemple  de  l’atome  d’oxygène  possédant  6  protons ;  en  retirant  un proton, l’élément devient de l’azote.  Au sein d’un même élément, il est également possible de modifier le nombre d’électrons et de neutrons qui le constitue. A partir d’un atome à l’état fondamental donc électriquement neutre, nous savons que  le nombre de protons est égal au nombre de neutrons.  Il se peut qu’un ou plusieurs électrons quittent le nuage électronique. Si un électron quitte le nuage, un excès d’une charge positive apparaît. La charge globale de l’atome fondamental va être modifiée,  l’équilibre  de  charge  sera  donc  rompu  et  l’on  parlera  alors  d’un  ion.  L’entité atomique possédera donc une charge globale égale à l’opposé du nombre d’électrons ayant quitté  le  nuage.  Il  est  évident  que  le  raisonnement  peut  se  tenir  dans  le  cas  où  un  ou plusieurs électrons viennent s’inclure dans le nuage électronique. L’élément gagnera autant de charges négatives que d’électrons entrant dans le nuage.   Dans le cas où un ou plusieurs électrons quittent le nuage, on parle d’ion positif ou cation. 

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Dans  le  cas  où  un  ou  plusieurs  électrons  arrive  dans  le  nuage,  on  parle  d’ion  négatif  ou anion.    Exemple :   Le  fer  à  l’état  fondamental  possède  26  protons,  donc  26  électrons.  Une  perte  de  deux électrons  engendre  donc  un  excès  de  deux  charges  positives.  Le  fer  devient  alors  un  ion chargé deux fois positivement noté Fe ++.  L’oxygène  à  l’état  fondamental  possède  8  protons,  donc  8  électrons.  Un  gain  de  deux électrons engendre donc un excès de deux charges négatives. L’oxygène devient alors un ion chargé deux fois négativement noté O‐‐. Voici  la  représentation  de  l’atome,  telle  que  l’on  peut  la  retrouver  dans  le  tableau périodique. Prenons l’exemple d’un atome quelconque S.                 Pour l’atome de carbone :                  

X A

z

• A  est  le  nombre  de masse.  C'est  à dire  le nombre  de  nucléons (protons + neutrons). 

• Z  est  le  nombre atomique. C'est à dire le  nombre  de protons,  égal  au nombre d'électrons. 

• X  est  le  symbole chimique  de l'élément.

C 12

6

• A = 12 (6 protons + 6 neutrons). 

• Z = 6   est  le  nombre atomique. C'est à dire le  nombre  de protons,  égal  au nombre d'électrons. 

• C  est  le  symbole chimique  de l'élément.

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Toutes ces informations se retrouvent dans le tableau périodique des éléments. Ceux‐ci sont classés  par  famille  et  par  période.  Les  éléments  d’une  même  colonne  présentent  des analogies de propriétés. On parle de famille.     

• Colonne 1 : Famille des métaux alcalins (sauf l’hydrogène H) • Colonne 2 : Famille des métaux alcalino‐terreux • Colonne 3 à 12 : Famille des métaux de transitions • Colonne 17 : Famille des halogènes • Colonne 18 : Famille des gaz rares, inertes ou nobles 

 Les éléments d’une même  ligne, ou même période  (1 à 7) possèdent  le même nombre de couches électroniques sur lesquelles vont se répartir leurs électrons. Les différentes couches sont notées K, L, M, N, O, P de la plus proche du noyau à la plus éloignées.   1.3. La masse atomique.  La  masse  des  atomes  est  très  faible.  L’utilisation  des  unités  MKS  (mètre‐kelvin‐seconde) n’est donc pas retenue. Pour des raisons de facilité, les chimistes utilisent l’Unité de Masse Atomique  ou  U.M.A.  qui  a  été  défini  comme  le  douzième  de  la  masse  de  carbone  12 (carbone à l’état fondamental) :   

1 U.M.A = 1/12 * mcarbone 12 

 En visualisant les nombres de masse présentés dans le tableau périodique, on remarque qu’il ne s’agit  jamais de nombres entiers. Or le nombre de nucléons est toujours entier. Dans le cas de chlore, nous savons que son nombre de masse est de 35. Dans la nature, il existe aussi l’isotope 2 du chlore, il s’agit du chlore 37. Des expériences ont montré que 25 % du chlore présent  dans  la  nature  est  du  chlore  37.  Une  simple  moyenne  pondérée  des  masses atomiques  des  deux  isotopes  du  chlore  peut  expliquer  la  valeur  annoncée  par  le  tableau périodique.   

0.25 x 37 + 0.75 x 35 = 35.5 u.m.a  On parlera donc de masse atomique relative tenant compte des abondances isotopiques des différents éléments présents dans la nature.  1.4. La mole.  Rappelons  que  la  masse  d’un  atome  étant  très  faible,  il  est  impossible  d’en  prélever  un nombre  faible. La notion de mole a donc été créée dans  le but de quantifier  facilement  le nombre d’atomes qu’un opérateur de laboratoire prélève dans son récipient.   

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Durant  le  19ème  siècle,  le  physicien  italien Amadeo Avogadro  calcule  qu’une mole  de  tout élément renferme 6,023 x 1023   atomes (Nombre d’Avogadro noté N). Ce concept peut être élargi aux molécules, que nous définirons au chapitre 2. La mole est maintenant une unité reconnue par le Système International pour définir une quantité de matière (symbole : mol)   Si la masse atomique d'un élément quelconque est Matom. ( u.m.a).  

Matom. (u.m.a) = Matom. x 1/N (g) pour 1 mole  

N x Matom. (u.m.a.) = Matom. x N/N (g)  Le chiffre qui exprime la masse moléculaire d'un atome (en u.m.a.) correspond également à la masse, exprimée en gramme, d’une mole de cet élément.  

masse 1 mole de 12C = N x masse 1 atome de 12C 12 (g) = 6,023 1023 x 12 (u.m.a) 

  1.5. Conclusion.  Après  avoir  discuté  de  l’existence  et  des  propriétés  des  atomes,  nous  allons  maintenant remonter à l’échelle supérieure de la matière : la molécule. En effet, les atomes d’un même élément  ou  non  se  combinent  entre  eux  (liaisons  chimiques)  pour  former  une  entité moléculaire  qui  restera  électriquement  neutre.  Nous  comprendrons  ce  concept  dans  le prochain chapitre.       

Figure 3 visualisation de l'extraction d'un électron 

          

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2.1 Introduction : Les forces électrostatiques.  Les atomes à l’état fondamental sont des unités électriquement neutres qui sont constituées d’un noyau (protons + neutrons) autour duquel gravitent des électrons répartis sur plusieurs couches dans le nuage électronique. Le centre de charges négatives est donc placé au niveau du nuage tandis que le centre de charges positives est positionné sur le noyau.           

Figure 4 nuage électronique   Cependant dans la nature, les atomes se combinent entre eux afin de minimiser leur énergie interne (excepté les gaz rares). Dans ces conditions, ils vont donc entrer en interaction avec un ou plusieurs atomes d’un même élément ou non. Des molécules  seront donc  formées. Ces  interactions  sont  de  nature  électrostatique  appelées  forces  de  Coulombs.  Ces  forces sont  identiques  à  celles  qui  sont  exercées  entre  les  protons,  positifs,  du  noyau  et  les électrons,  négatifs,  du  nuage  électronique.  Nous  avons  déjà  évoqué  que  ces  derniers  se meuvent  pour  compenser  la  force  électrostatique  les  attirant  vers  le  noyau.  Voici l’expression  de  la  force  de  Coulombs,  présentant  des  analogies  avec  la  loi  de  la  force d’attraction universelle en astronomie :   

F = k × (charge(+) x charge(‐)) / distance 2  

Mais ces forces sont également d’application entre deux atomes. En effet, il existe aussi une attraction entre  le nuage électronique d’un atome et  le noyau d’un autre vu qu’ils sont de charges opposées. Il est évident que des forces de répulsion entre les deux noyaux et entre les deux nuages électroniques  interviennent. Si  les forces attractives sont plus  importantes que les forces répulsives, les atomes se rapprochent. Dans le cas contraire, ils se repoussent.  Le graphe suivant montre l’évolution de l’énergie interne d’un atome de référence lorsqu’un autre s’en rapproche. On remarque qu’à grande distance,  l’atome de référence ne ressent pas  l’influence  de  l’autre  atome.  A  faible  distance,  les  forces  de  répulsion  entre  les  deux noyaux  et  les  deux  nuages  sont  très  intenses,  le  système  n’est  donc  pas  stable énergiquement. Par contre, il existe une position intermédiaire où l’énergie est minimisée : 

Chapitre 2 : Les liaisons chimiques 

+

Nuage électronique : charges négatives

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c’est le puits de potentiel. Les deux atomes vont donc naturellement se positionner à cette distance  afin  de  minimiser  leur  énergie  interne.  Cette  distance  est  donc  la  distance interatomique.  

 Figure 5 puits de potentiel

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2.2 Notion de liaison chimique.  Comme  déjà  évoqué  au  chapitre  1,  les  électrons  qui  gravitent  autour  du  noyau  se répartissent suivant des couches électroniques K, L, M, N, O, P ayant des niveaux d’énergie différents.  Les  électrons  de  la  couche  K,  les  plus  proches  du  noyau,  sont  attirés  plus fortement que ceux des couches supérieures, plus éloignées du noyau. Une justification peut être trouvée en regard de  la  formule de Coulombs où  le carré de  la distance  intervient au dénominateur.   

 Figure 6 répartition électronique 

 Tous  les atomes ne possèdent pas  le même nombre de couches électroniques :  la période d’un élément dans  le  tableau  témoigne du nombre de couches électroniques entourant  le noyau.  Ainsi,  l’hydrogène  est  situé  dans  la  première  ligne  du  tableau,  il  ne  possède  donc qu’une seule couche : la couche K. Par la même, le carbone en possède deux : K et L.  Le nombre d’électrons admissibles au sein des différentes couches varient également et est donné par la formule suivante :   

Nombre d’électrons par couche = 2 * n2 

Avec n = numéro de couche (de 1 pour K à 7 pour P)  Il  est  aisé  de  calculer  le  nombre maximal  d’électrons  pour  chaque  couche.  Ainsi,  nous  ne pouvons placer que 2 électrons sur  la couche K (n = 1), 8 sur  la couche L  (n = 2), 18 sur  la couche M (n = 3),… Le remplissage des couches se fera de celle la plus proche du noyau à la plus éloignée.  

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Prenons encore le cas du carbone. Il possède deux couches électroniques et six électrons à répartir  dans  ces  deux  couches.  La  répartition  électronique  autour  du  noyau  sera  de  2 électrons sur la couche K et 4 électrons sur la couche L. La couche L sera appelée : « couche de valence ». Ce sont  les électrons de cette couche qui  joueront un rôle  important dans  le processus  de  liaison  entre  deux  atomes,  car  ils  sont  moins  « liés »  à  leur  noyau  car  plus distants.  Il apparaît que  la situation  la plus favorable pour  les atomes, donc  la plus stable, est qu’ils possèdent deux (pour H, Li, Be, B) ou huit électrons sur leur couche périphérique ou couche de valence. Or, nous l’avons vu pour le carbone, le nombre d’électrons sur cette couche ne vaut jamais huit à leur état fondamental (à l’exception des gaz rares autres que l’hélium). Les éléments vont donc tendre vers cette situation d’obtention de deux voire huit électrons sur la couche de valence afin de garantir leur stabilité énergétique. Cela sera possible par perte ou par gain d’électrons. Il s’agit là de la base de la liaison chimique.  Tout atome tend à atteindre la structure électronique du gaz rare qui le suit ou le précède 

par perte ou par gain d’électrons.  Ajoutons que suite à ces pertes ou gains d’électrons,  les atomes deviennent donc des  ions respectivement  positifs  ou  négatifs.  Si  pour  atteindre  cette  stabilité,  les  atomes  doivent perdre des  électrons  et  ainsi  devenir  des  ions positifs  seront dits  « électropositifs »  tandis que ceux qui doivent en gagner pour devenir des ions négatifs sont dits «électronégatifs ». Nous  terminerons  ce  paragraphe  par  la  notion  d’ « électronégativité »  (disponible  dans  le tableau  périodique).  Il  s’agit  de  l’aptitude  d’un  élément  à  capter  un  nuage  électronique, donc  la  force  avec  laquelle un élément  attire  vers  lui  un ou plusieurs  électrons pour  ainsi devenir un ion négatif : anion.  A  contrario, un élément  faiblement négatif  à une  faible propension à attirer  les électrons, mais  pas  à  en  céder.  Il  devient  alors  un  ion  positif :  cation.  Les  métaux  ont  tous  cette caractéristique.   2.3 Type de liaison chimique.  

a. Liaison ionique.  Il a été montré que les atomes se « lient » afin de minimiser leur énergie interne : on parlera de « liaison chimique ». Le premier type de  liaison étudié est  la  liaison  ionique. Celle‐ci est caractérisée par un transfert des électrons de valence d’un atome moins électronégatif, vers un autre plus électronégatifs. Ce transfert d’électrons d’un atome vers un autre engendre la formation  d’un  cation  dans  le  cas  de  l’atome  cédant  un  ou  plusieurs  électrons  (le moins électronégatif) ainsi que la création d’un anion pour l’atome qui reçoit les électrons perdus par le premier.  Cette liaison n’est possible évidement que si la différence d’électronégativité est supérieure ou égale à 1.9 eV (électron‐volt : c’est l'unité d'énergie utilisée en physique des particules : c'est l'énergie acquise par un électron soumis à un potentiel électrique de 1V). En pratique, il faut  qu’un  des  deux  atomes  ait  une  forte  aptitude  à  céder  ses  électrons  (le  moins 

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électronégatif) et que l’autre (le plus électronégatif) accepte facilement les électrons cédés par le premier.  Exemple :   Dans  le cas du sel de cuisine :  la NaCl  (chlorure de Sodium).  L’électronégativité du sodium vaut 0.9 eV et celle du chlore vaut 3.15 eV. Le chlore est donc un élément plus électronégatif que le sodium, il va donc capter le nuage électronique. Quant au nombre d’électrons cédés, le sodium va perdre un électron sur la couche M et devenir donc du Na+ et le chlore gagnera cet électron pour atteindre l’état Cl‐. Une molécule de NaCl est en réalité constituée de deux ions de charges opposées liés par forces électrostatiques.  

  Il  est  à  noter  qu’au  point  de  vue  macroscopique,  les  diverses  molécules  de  chlorure  de sodium s’organisent sous forme d’un réseau cristallin où une molécule de NaCl est disposée à chaque arête du réseau cubique.   

b. Liaison covalente.  

Une  liaison  covalente  est  une  liaison  lors  de  laquelle  une  ou  plusieurs  paires électroniques  sont mises  en  commun  par  les  atomes  en  présence.    Chaque  paire  étant constituée d'un électron de chaque atome.  Exemple :  Les  atomes  de  chlore  possèdent  1  électron  célibataire  sur  la  dernière  couche.    Dans  la molécule  de  chlore  (Cl2),  ils  vont  réaliser  une  liaison  covalente  par  mise  en  commun de  cet électron.   

 

Page 18: Chimie Combustion

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 c. Covalente polarisée. 

 Supposons une liaison covalente établie entre deux atomes différents.  La structure électronique de  ces  atomes  implique  que  ceux‐ci  n'attirent  pas  le  doublet  avec  la  même intensité.    Il  y  a déplacement de l'orbitale moléculaire vers l'atome qui attire le plus les électrons.  On dira que la liaison est une  covalence polarisée.   Exemple : molécule d'acide chlorhydrique (HCl) 

  Remarque :  L'intensité  de  l'attraction  des  électrons  de  valence  par  les  atomes  est  déterminée  par l'électronégativité    (en eV).    Les valeurs de  l'électronégativité sont données pour chaque atome  et  la  différence  d'électronégativité  entre  les  deux  atomes  formant  la  liaison détermine  le  degré  de polarisation.    On  estime  habituellement  qu'une  liaison  covalente est polarisée si ∆ε est supérieur à 0,5 eV. (cf. Exposé oral)  d. Liaisons spéciales 

 • Liaison métallique 

 Les métaux  et  les  alliages  sont  considérés  comme  des  assemblages  organisés (cristaux)  d'ions  positifs,  et  d'électrons  libres  (électrons  de  conduction).    La nature  de  ces  liaisons  est  beaucoup  plus  complexe  et  fait  appel  à  d'autres considérations que les forces électrostatiques.  

• Liaison par force de Van Der Waals  Les  phénomènes de polarisation  au  sein des molécules entraînent  l'apparition de dipôles.    Il  peut parfois  y  avoir  interaction  de  ce  dipôle  avec  une   autre partie  de  la  molécule  ou  d'une  autre  molécule.  Ces  interactions,  assez faibles,  sont  néanmoins  à  l'origine  de  phénomènes  particuliers  comme  la viscosité.  

• Liaison par pont hydrogène  Ces  liaisons  apparaissent  entre  des  atomes  fortement  électronégatifs  et l'atome  d'hydrogène.  Elles    sont    responsables    de    certaines    anomalies   comme    les    azéotropes    ou    les    structures  moléculaires.    Elles  sont nombreuses entre les molécules d'eau.    

Page 19: Chimie Combustion

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3.1  Réactions chimiques et équations chimiques 

  Les réactions chimiques ne se rencontrent pas uniquement dans  les  laboratoires de 

chimie ou dans l’industrie pour la production à grande échelle de produits « chimiques », les 

réactions  chimiques  peuvent  également  être  des  phénomènes  naturels  (formation  de 

l’ozone, formation de l’oxygène par photosynthèse, transformation du fer en rouille, …) et se 

rencontrent  également  abondamment  dans  la  vie  quotidienne  (cuisson  du  blanc  d’œuf, 

durcissement  du  ciment,  détartrage  d’une  bouilloire,…)  et,  plus  particulièrement  dans  le 

secteur  de  l’automobile  (gonflage  de  l’air‐bag,  combustion  des  carburants,  pot 

catalytique,…) 

 

  Les signes visibles de l’existence d’une transformation chimique sont : 

- l’apparition d’une espèce chimique nouvelle, 

- la disparition d’un des réactifs, 

- la modification des propriétés organoleptiques (couleur, odeur, goût,…), 

- la production ou l’absorption d’énergie.  

Lorsqu’une  réaction  produit  de  l’énergie  sous  forme  de  chaleur,  la  réaction  est  dite 

exothermique,  et  dans  le  cas  où  elle  a  besoin  d’énergie  pour  se  produire,  elle  est 

endothermique.  

 

  Les réactions chimiques peuvent suivant le cas présenter des vitesses très variables : 

- très lente (milliers d’années), ex : fossilisation des végétaux en charbon, 

- moyenne (de quelques heures à quelques jours), ex : durcissement d’une colle à deux 

composantes, 

- très rapide, ex : transfert de proton dans les réactions acide‐base.   

 

 

Chapitre 3 : Réactions chimiques  

Page 20: Chimie Combustion

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Une réaction chimique peut‐être représentée sous forme d’une équation chimique de bilan, 

de forme générale : 

a A  +  b B     →     c C  +  d D 

 

A  et  B  représentent  les  réactifs,  C  et  D,  les  produits,  tandis  que  a,  b,  c  et  d  sont  les 

coefficients stœchiométriques donnant  les proportions en réactifs consommés et produits 

formés. 

 

3.2 Signification d’une équation chimique   

 

L’équation chimique donne  le plus d’informations possibles aux points de vue qualitatif et 

quantitatif. 

Sur le plan qualitatif, les informations fournies par l’équation chimique sont les formules des 

réactifs  et  des  produits,  leur  état  physique  (s,  l,  g,  v,  aq),  l’utilisation  éventuelle  de 

catalyseur,  la  température  et  (pour  les  gaz)  la  pression  utilisées  pour  réaliser  la  réaction, 

l’énergie  libérée (réaction exothermique) ou consommée (réaction endothermique) et si  la 

réaction est  complète ou équilibrée,  ce qui  est  représenté par une double  flèche .  (= 

lorsqu’une certaine quantité de produit est formée, la réaction « s’arrête », il s’agit en réalité 

d’un équilibre stationnaire, le rendement ne pourra donc pas être supérieur à une certaine 

valeur). 

Sur le plan quantitatif, une équation chimique respecte la loi de conservation de la masse, 

basée sur le principe de Lavoisier, qui stipule que « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se 

transforme ».  La matière  n’est  donc  pas  créée  et  résulte  de  la  transformation  de matière 

déjà existante. Une équation chimique écrite  correctement  (coefficients  stœchiométriques 

corrects)  respecte  les principes de  conservation des atomes  (la masse) et de  la  charge.  La 

stœchiométrie  informe  sur  les  rapports  dans  lesquels  les  réactifs  disparaissent  et  les 

produits se forment. Ces rapports étant exprimés en nombre de moles. 

 

 

 

 

 

Page 21: Chimie Combustion

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Preuve de la conservation de la matière : 

 

Exemple : synthèse de l’ammoniac à partir d’hydrogène et d’azote. 

L’équation chimique de bilan correctement équilibrée est : N2 (g)  +  3 H2 (g)        2 NH3 (g) 

  N2  H2  NH3 

Nombre de 

molécules 

1  3  2 

Nombre de moles  1  3  2 

Masse en g  28  3*2 = 6  2*17 = 34 

 

Il est possible de conclure à partir de cet exemple, qu’une équation chimique : 

- est un bilan de moles, 

- exprime la conservation des atomes et de la masse, mais pas le nombre de moles. 

- indique la proportion de consommation des réactifs et de la formation des produits 

(grâce aux coefficients stœchiométriques). 

Il  est  important de  signaler qu’une équation chimique  représente un bilan global. En effet 

dans la majorité des cas, elle ne décrit pas le mécanisme moléculaire de la réaction. Au point 

de  vue  microscopique  (moléculaire),  plusieurs  étapes  élémentaires  successives  ont  lieu 

avant d’arriver aux produits finaux. 

 

Prévision de la quantité de produit formé  

Exemple :  la  combustion  du  propane  (hydrocarbure)  en  présence  d’oxygène  conduit  à  la 

formation de dioxyde de carbone et d’eau. On suppose que la réaction est complète. 

L’équation chimique de bilan correctement équilibrée est : C3H8  +  5 O2 → 3 CO2  +  4 H2O 

Suivant  les  quantités  en  réactifs  mises  en  œuvre  dans  la  réaction,  deux  conditions  sont 

possibles. 

 

 

 

 

 

 

Page 22: Chimie Combustion

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→ Conditions stœchiométriques : 

Dans ces conditions, les réactifs sont introduits en respectant les quantités (nombres 

de moles) prévues par  l’équation chimique.  La  réaction évolue donc de  la manière décrite 

dans le tableau suivant. 

Nombre de moles de :  C3H8  O2  CO2  H2O 

Initialement  1  5  0  0 

En cours de réaction (au temps tx)  1‐x  5‐5x  3x  4x 

Finalement  0  0  3  4 

X  représente  le  nombre  de moles  de  réactifs  consommés  à  un  temps  tx  et  le  nombre  de 

moles de produits formés à ce même temps tx. Si la réaction est complète, x est alors égal à 

1, l’entièreté des deux réactifs ont été consommés. 

Puisque  le  nombre  de  moles  d’un  composé  est  lié  à  sa  masse  (n  =  m/M.M.),  la 

stœchiométrie  de  réaction  permet  de  calculer  le  nombre  de  grammes  de  produits  et  de 

réactifs.   Exemple : Quelle quantité d’oxygène O2  (en g)  faut‐il pour  réaliser  la combustion 

complète de 22g de propane? Quelle quantité de CO2 est‐elle formée ? 

 

    C3H8                      +           5 O2                           →             3 CO2              +        4 H2O 

m = 22g 

M.M.  =  3*12+8*1  = 

44g/mol 

→ n = m/M.M. = 0,5 mol 

1  mol  de  propane  réagit 

avec 5 mol d’oxygène 

0,5 mol de propane réagit 

avec 2,5 mol d’oxygène 

→ n = 2,5 mol 

M.M. = 32 g/mol 

→ m = 2,5*32 = 80g 

La  combustion  de  0,5  mol  de 

propane produit  3*0,5 mol de 

CO2. 

→ n = 1,5 mol 

M.M. = 44 g/mol 

→ m = 1,5*44 = 66 g 

 

→ Conditions non stœchiométriques : 

  Dans  ces  conditions,  les  réactifs  ne  sont  pas  introduits  dans  des  proportions 

respectant les quantités prévues par l’équation chimique. Un des réactifs est donc en excès 

par  rapport  à  l’autre  qui  est  donc  en  défaut.  Le  réactif  en  défaut  est  appelé  limitant 

puisqu’une fois consommé, il ne peut plus former davantage de produit bien qu’il reste une 

quantité  de  réactif  en  excès.  C’est  donc  la  quantité  du  réactif  limitant  qui  détermine  la 

quantité en produits formés. 

Page 23: Chimie Combustion

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Nombre de moles de :  C3H8  O2  CO2  H2O 

Initialement  4  10  0  0 

  excès  défaut     

En cours de réaction  4‐x  10‐5x  3x  4x 

finalement  2  0  6  8 

   

 

A la fin de la réaction, l’entièreté de l’oxygène a été consommée alors qu’il reste du propane 

en excès.  

Exemple : Quelle quantité  forme‐t‐on au maximum de CO2 si  l’on réalise  la combustion de 

44g de propane avec 64g d’oxygène ? 

    C3H8                      +           5 O2                           →             3 CO2              +        4 H2O 

m = 44g 

M.M.  =  3*12+8*1  = 

44g/mol 

→ n = m/M.M. = 1 mol 

1  mol  de  propane  réagit 

avec 5 mol d’oxygène  

m = 64g 

M.M. = 32 g/mol 

→ n = 2 mol 

 

mais  seules  2 mol d’oxygène 

sont  disponibles  et  vont 

réagir  avec  2/5  mol  de 

propane 

 

 

 

 

 

 

 

et conduit à  la  formation de 3* 

mol de dioxyde de carbone 

À la fin de la réaction, il reste : 

n = 1 – 2/5 = 3/5 mol 

M.M. = 44g/mol 

→ m = 3/5*44 = 26,4 g 

n = 2 ‐2 = 0 mol 

Réactif en défaut 

n = 3*2/5 = 2 mol 

M.M. = 44g/mol 

→ m = 6/5*44 = 52,8 g 

 

Equilibrage d’une équation chimique 

Il  s’agit  de  déterminer  les  coefficients  stœchiométriques  qui  sont,  idéalement,  des 

nombres  entiers  les  plus  petits  possibles,  de  manière  à  retrouver  le  même  nombre  de 

chaque  atome  dans  les  deux  membres  de  l’équation.  Pour  les  cas  simples,  le  choix  est 

souvent quasi‐intuitif, en commençant par équilibrer les atomes qui n’apparaissent que dans 

une seule molécule.   

Page 24: Chimie Combustion

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Exemple : combustion du glucose : C6H12O6  +  O2  →  CO2  +  H2O, le carbone et l’hydrogène 

n’apparaissent que dans une seule molécule de chaque membre de  l’équation. Une fois  le 

nombre  de  CO2  et  d’H2O  déterminé,  on  peut  trouver  facilement  le  coefficient 

stœchiométrique d’O2. L’équation correctement équilibrée s’écrit : C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 

6 H2O 

 

  Pour  les  cas plus  complexes, on utilise  la méthode algébrique. Pour déterminer  les 

coefficients stœchiométriques, on compte le nombre d’atomes de chaque élément dans les 

deux  membres  et  on  écrit  des  égalités.  Ensuite,  on  fixe  le  premier  coefficient  pour 

déterminer les autres. 

Exemple : équation du grillage de la pyrite (minerai de fer) : a FeS2  +  b O2   →   c Fe2O3  +  d 

SO2 

    Fe : a = 2*c 

    S : 2*a = d 

    O : 2*b =3*c + 2*d 

Si a = 2 alors, c = 4, d = 1, et b = 11/2 mais comme il est préférable d’obtenir des nombres 

entiers, a est fixé à 4 et l’équation s’écrit :  

4 FeS2  +  11 O2     →     Fe2O3  +  4 SO2 

 

3.3 Principe de l’AirBag 

 

Le gaz responsable du gonflement instantané de l’airbag lors d’un choc est l’azote N2. Ce gaz 

est produit par la décomposition de l’azoture de sodium NaN3. 

Réaction de décomposition : 2 NaN3(s) → 2 Na(s) + 3 N2(g) (à 300°C) 

L’azoture  de  sodium  est  un  solide  blanc  toxique  et  explosif.  La  réaction  de 

décomposition de  l’azoture de  sodium est provoquée par un détonateur qui  se déclenche 

lors  de  la  fermeture  d’un  circuit  électrique  qui  permet  le  passage  du  courant.  Cette 

fermeture  est  provoquée  lors  d’une  décélération  brutale  par  des  billes  métalliques.  La 

réaction  de  décomposition  est  accélérée  par  l’ajout  de  catalyseurs,  l’airbag  se  gonfle  en 

environ 3/100 de seconde. Les sacs gonflés contiennent un volume d’azote variant de 35 à 

Page 25: Chimie Combustion

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60 l selon les modèles, ils doivent se dégonfler en 2 secondes pour éviter que le conducteur 

ne s’étouffe.  

  Le produit secondaire de la réaction de décomposition de l’azoture de sodium, c'est‐

à‐dire  le  sodium  Na,  est  dangereux  car  il  réagit  violemment  avec  l’eau  pour  donner  du 

dihydrogène explosif à l’air (Na + H2O → NaOH  +  H2). Ce sodium doit donc être « éliminé » 

par réaction chimique. Deux composés sont dès lors utilisés : le nitrate de potassium KNO3 et 

la silice SiO2 dans deux réactions successives. 

  La deuxième réaction met en œuvre le sodium et le nitrate de potassium : 

10 Na(s)  +  2 KNO3(s)  →  K2O(s)  +  5 Na2O(s)  + N2(g) 

Cette réaction produit également de  l’azote et deux oxydes (oxydes de sodium Na2O et de 

potassium K2O) qui réagissent avec l’eau pour donner des hydroxydes corrosifs. Ils sont donc 

« éliminés » dans une seconde réaction : 

K2O(s)  +  Na2O(s)  + SiO2(s)  →  K2Na2SiO4(s) 

Le produit formé est un silicate alcalin K2Na2SiO4 appelé poudre de verre qui est un produit 

inoffensif, inerte et non inflammable. 

 

3.4 Illustration de la stœchiométrie de réaction : 

Il  est  possible  de  calculer  le  nombre  de  grammes  de  réactifs  (NaN3,  KNO3  et  SiO2) 

nécessaires  pour  gonfler  un  airbag  de  volume  connu,  à  l’aide  de  la  stœchiométrie  des 

différentes réactions et en sachant qu’une mole de gaz quelconque a un volume d’environ 

22,4l (dans des conditions normales de pression et de température). 

Ex : calcul du nombre de grammes de NaN3 nécessaires pour gonfler un airbag de 70 l.  

Sur base de la première réaction, on sait que :  

2 NaN3(s)                                              →             2 Na(s)              +              3 N2(g) 

2 moles de NaN3 se décomposent en    2 moles de sodium    et    3 moles d’azote 

 

 

 

 

 

 

 

Page 26: Chimie Combustion

26

Or, le nombre de moles d’azote nécessaires pour gonfler un airbag de 70l est de : 

n d’azote = 70/22,4 = 3,125 moles 

On peut calculer le nombre de grammes d’azoture de sodium permettant de générer 3,125 

moles d’azote (Rappel : nombre de moles (mol) = masse (g) / masse molaire (g/mol)) 

                                                          2 NaN3(s)              →             2 Na(s)         +              3 N2(g) 

Conditions stœchiométriques :  2  2  3 

Données :  M = 65 g/mol    n = 3,125 mol 

Nombre de moles prévu par la 

réaction : 

n = 3,125*2/3  

= 2,08 mol n = 2,08 mol   

Masse de réactif :  m = 2,08*65 = 135 

g    

→ Il faut environ 135g de NaN3 pour gonfler un air bag de 70 l. 

A l’aide de la stœchiométrie de la deuxième réaction,  il est possible de calculer  la quantité 

de  nitrate  de  potassium  requise  pour  oxyder  tout  le  sodium  produit  dans  la  première 

réaction. 

                        10 Na(s)                 +                      2 KNO3(s) → K2O(s) + 5 Na2O(s) + N2(g) 

On sait que 10 moles de Na réagissent avec 2 moles de KNO3 

 

 

Or la réaction précédente produit 2,08 moles qui réagiront avec 2,08*2/10 = 0,416 moles 

La masse molaire du nitrate de potassium étant de 101g/mol, la masse de KNO3 réagissant 

stoechiométriquement avec le sodium formé à la première réaction est 0,416*101 = 42g. 

 

            

Page 27: Chimie Combustion

27

    

 

4.1 Définition : l’électrochimie. 

L’électrochimie est  la discipline scientifique qui s’intéresse aux relations entre  la chimie et 

l’électricité.  Elle  décrit  les  phénomènes  chimiques  couplés  à  des  échanges  réciproques 

d’énergie  électrique.  L'électrochimie  comprend  bien  entendu  toutes  technologies  et 

techniques issues de ces travaux scientifiques. 

De  plus,  l’électrochimie  s’intéresse  à  des  systèmes  hétérogènes  comportant  aux  deux 

extrémités des matériaux  conducteurs  électroniques  (métal,  carbone…) et,  entre  ces deux 

conducteurs,  au moins  un matériau  conducteur  ionique  (électrolyte  liquide  ou  gélifié,  sel 

fondu…). 

 

4.2 Domaines d’application. 

On classe généralement les applications industrielles de l’électrochimie dans 5 grandes 

catégories : 

a) Électrosynthèse  

L’électrosynthèse  est  parfois  utilisée  dans  l’industrie  chimique  lourde  au  détriment  d’une 

synthèse  par  voie  thermique,  les  procédés  d’électrosynthèse  étant  généralement  plus 

facilement  contrôlables  et  sélectifs.  Les  principales  matières  premières  produites  par 

électrosynthèse  sont :  l’aluminium  (env.  24 Mtonnes/an),  le  dichlore  et  la  soude  (env.  40 

Mtonnes/an). On produit également en quantité moindre du difluor, du lithium, du sodium, 

du magnésium et du dihydrogène. 

On  rangera dans  la même  catégorie  la  purification de  certains métaux par  électroaffinage 

(notamment le cuivre, le zinc et l’aluminium). (cf. Cours de connaissance des matériaux 2ème) 

Chapitre 4 : Electrochimie 

Page 28: Chimie Combustion

28

b) Traitement de surface et corrosion 

Les  traitements  de  surface  par  voie  électrochimique  sont  nombreux  car  l’électrochimie 

permet de bien contrôler  la nature et  la qualité du dépôt. Ce dépôt de métal  (nickel,  zinc, 

or...) de quelques micromètres d'épaisseur (1 à 10 micromètres) joue un rôle esthétique ou 

de protection contre  la corrosion. Les méthodes électrochimiques peuvent aussi servir à  la 

restauration d’objets anciens. (cf. Cours de connaissance des matériaux 2ème) 

 

c) Stockage et la conversion de l’énergie  

Les  Piles  et  accumulateur  électrique  sont  des  générateurs  électrochimiques.  Les 

accumulateurs se distinguent des piles par  le  fait qu'ils sont électriquement rechargeables. 

Leur domaine est en pleine expansion. 

• Dans des applications de type « grand public » comme les batteries pour téléphones 

portables. 

• Dans les applications professionnelles, les plus courantes sont les batteries au Plomb, 

elles  assurent  le  rôle  de  source  d'énergie  auxiliaire  des  véhicules  automobiles 

permettant entre autre, leur mise en route. 

• D'autres  types  d'accumulateurs,  plus  sophistiqués,  commencent  à  jouer  un  grand 

rôle dans  les véhicules hybrides;  ils  stockent  l'énergie récupérée par  l'intermédiaire 

de générateurs  lors des  freinages et,  la  restituent avec des moteurs électrique  lors 

des phases d'accélération : exemple, certains modèles Toyota. 

• D'autre part, de nombreuses recherches sont aujourd’hui effectuées dans le domaine 

des  piles  à  combustible  afin  d'équiper  ces  mêmes  véhicules.  Ceci  bien  que  la 

ressource en hydrogène propre soit encore hypothétique. (Cf. Exposé oral) 

 

 

Page 29: Chimie Combustion

29

d) Méthodes d’analyse et de mesure  

Du fait de  leur faible coût, on utilise de plus en plus de capteurs électrochimiques. Le plus 

simple d’entre eux est l’électrode à pH. Le plus utilisé est le capteur à dioxygène, notamment 

pour  l’analyse  des  gaz  de  combustion.  Les  capteurs  électrochimiques  ont  aussi  de 

nombreuses applications dans le domaine biomédical ou pour l’analyse de la pollution. (Cf. 

Utilisation d’un pH mètre au laboratoire de chimie générale 2ème) 

L'appareil de mesure le plus utile à l'électrochimie s'appelle le potentiostat ou galvanostat. 

La  cellule  électrochimique  la  plus  courante  est  la  cellule  à  trois  électrodes :  l'électrode de 

travail et la contre électrode entre lesquelles passe le courant. L'électrode de référence (ou 

impolarisable) qui permet d'évaluer la différence de potentiel entre l'électrode de travail et 

l'électrolyte.  

e) Environnement et biologie  

Dans  ce  domaine  en  forte  expansion,  les  techniques  électrochimiques  permettent  la 

séparation  (électrodialyse),  la  récupération,  la  concentration  ou  la  destruction  de  certains 

éléments.  Un  exemple  type  d’application  est  le  dessalement  des  eaux  saumâtres  par 

électrodialyse. 

4.3 Théorie des électrolytes. 

En toute généralité, quand un composé se dissout dans l’eau, ses cristaux se désagrègent en 

ions mobiles (constatation expérimentale). Il s’agit alors d’une solution d’électrolyte. C’est le 

cas de la molécule de NaCl. 

 

Ce phénomène se produit car des ions chargés se forment pour permettre aux éléments de 

se rapprocher de la configuration électronique d’un gaz rare le plus proche (règle de l’octet). 

Le sodium Na se rapproche de la structure électronique du Néon Ne en perdant un électron, 

donc  en  devenant  un  cation  une  fois  positif :  Na+ ;  et  le  chlore  gagne  cet  électron,  se 

rapproche de la structure électronique de l’Argon Ar, et devient un anion une fois négatif Cl‐. 

Page 30: Chimie Combustion

30

En  conclusion,  les  éléments  métalliques  à  gauche  du  tableau  périodique  des  éléments 

perdent  des  électrons  et  deviennent  des  cations  (ions  positifs)  et  les  éléments  non 

métalliques à droite du tableau ont tendance à gagner des électrons pour devenir des anions 

(ions négatifs). 

Ces ions conduisent ainsi le courant électrique dans la solution 

                                                                         ‐                        + 

 

   +                  ‐                                                        

 

 

 

 

 

 

Figure 7 Solution d'électrolyte  

Une  fois  que  des  électrodes  connectées  à  une  batterie  sont  plongées  dans  une  solution 

d’électrolyte,  les  cations  sont  attirés  par  l’électrode  négative  et  les  anions  par  l’électrode 

positive. Ce mouvement donne lieu au passage d’un courant électrique. Il est important de 

comprendre que les électrolytes se dissocient à cause de leur mise en solution. Le passage 

du courant n’est qu’une conséquence de  la dissociation. Notons également que la solution 

reste électriquement neutre, c'est‐à‐dire que la somme des charges négatives reste égale à 

la somme des charges positives. 

On peut classer  les électrolytes en deux  familles :  les électrolytes à dissociation  totale dits 

« forts » et les électrolytes à dissociation partielle dits « faibles ».  

Solution de NaCl

Na+

Cl-

Page 31: Chimie Combustion

31

 

Electrolytes forts (ex. NaCl) 

 

 

 

Electrolytes faibles (ex. Sucre de cuisine) 

 

 

Présence d’ions et de molécules non dissociées dans la solution. 

 

 

4.4 Ionisation des acides et des bases 

 

La conductance L (notion inverse de la résistance) représente la facilité de propagation 

du courant électrique. 

 

 

 

 

 

L’électrolyte, en se dissociant fournit les transporteurs de charges assurant le passage du 

courant électrique. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Avec L en ohm-1

Page 32: Chimie Combustion

32

Divers facteurs influencent la conductance d’une solution :  

 

La concentration, c'est‐à‐dire de la quantité d’ions par unité de volume 

De la charge des ions 

De leur mobilité 

De la fraction d’électrolyte sous forme ionique α (taux de dissociation) 

 

 

 

 

 

Si α ≈ 1, l’électrolyte est fort 

Si α ≈ 0, l’électrolyte est faible 

 

Nous pouvons mesurer le taux de dissociation par la mesure de conductance. 

 

Les électrolytes peuvent donc être classés :  

 

  Electrolytes forts  Electrolytes faibles 

Acide  Acides forts  Acides faibles 

Bases  Bases fortes  Bases faibles 

Autres  Sels   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 33: Chimie Combustion

33

4.5 Réactions avec échange d’électrons (ou oxydo‐réduction) 

 

La  deuxième  réaction  du  gonglement  de  l’AirBag  est  une  oxydoréduction,  comme  le 

prouvent les nombres d’oxydation de chaque atome. 

10 Na(s)       +  2 KNO3(s)    →       K2O(s)     +    5 Na2O(s)    +      N2(g) 

  Na  K  N  O  K  O  Na  O  N 

N.O.  0  +1  +5  ‐2  +1  ‐2  +1  ‐2  0 

On  remarque  que  l’atome  de  sodium  passe  d’un  N.O.  =  0  à  un  N.O.  =  +1, ΔN.O.=  +1,  le 

sodium s’oxyde, il joue le rôle de réducteur ; alors que l’atome d’azote passe d’un N.O.= +5 à 

un N.O. = 0, ΔN.O.= ‐5, l’azote du nitrate de potassium se réduit, il joue le rôle d’oxydant. 

   Chaque  atome  de  sodium  perd  1  électron  pour  s’oxyder  et  chaque  atome  d’azote 

gagne 5 électrons pour se réduire. Comme le nombre d’électrons perdus lors de l’oxydation 

doit être égal au nombre d’électrons consommés par la réduction, un facteur multiplicatif de 

5 doit être appliqué à l’atome de sodium et à la molécule d’oxyde de sodium. 

 

 

 

 

4.6  Oxydoréduction, source d’énergie électrique 

 

1 Introduction : 

 

  L’électrochimie  est  le  domaine  de  la  chimie  qui  décrit  l’utilisation  des  réactions 

chimiques dans  la  production d’électricité  et  inversement,  l’utilisation de  l’électricité  pour 

réaliser des transformations chimiques. 

  Ce  paragraphe  porte  essentiellement  sur  la  partie  de  l’électrochimie  concernant  la 

production et le stockage de l’électricité. Un autre aspect de l’électrochimie concernant les 

phénomènes de corrosion et les traitements de surface sera abordé en deuxième année au 

cours de connaissance des matériaux. 

Page 34: Chimie Combustion

34

  Nous  avons  vu  qu’une  réaction  rédox  est  liée  à  la  production  (oxydation)  et  à  la 

consommation  (réduction)  d’un  ou  de  plusieurs  électrons.  Si  les  deux  réactions  se 

produisent dans le même récipient, le transfert d’électrons ne se « voit » pas, par contre si la 

réaction d’oxydation et la réaction de réduction se produisent dans deux lieux bien séparés 

et reliés par un système conducteur fermé, l’électricité produite peut être utilisée ; on crée 

ainsi une pile.   

 

2 Les piles : 

  Une pile électrochimique peut par exemple être formée de la manière suivante :  

‐ Dans le compartiment de gauche, une lame de fer appelée électrode est plongée dans une 

solution  d’électrolytes  contenant  des  ions  Fe2+  (formés,  par  exemple,  par  dissolution  de 

sulfate de fer, FeSO4(aq) → Fe2+(aq) + SO42‐(aq)). 

‐ Dans le compartiment de droite, une lame de cuivre (électrode) plonge dans une solution 

d’électrolytes  contenant des  ions Cu2+  (formés, par  exemple,  par dissolution de  sulfate de 

cuivre, CuSO4(aq) → Cu2+(aq) + SO42‐(aq)). 

‐ Les deux électrodes sont reliées entre elles par un conducteur électrique et peuvent être 

adaptées soit à un ampèremètre, soit à un appareil électrique. 

‐  Le  système  est  fermé  par  un  pont  électrolytique  (par  exemple,  un  cordon  imbibé  d’une 

solution saturée de nitrate de potassium, KNO3). 

 Figure 8 visualisation d'une pile électrochimique 

 

 

 

 

Page 35: Chimie Combustion

35

Lorsque le circuit est fermé, la pile commence à produire du courant via les électrons formés 

par la réaction d’oxydation et consommés par la réaction de réduction.   

Comme nous l’avons vu au chapitre précédent, le cuivre est un moins bon réducteur 

que le fer (ou encore l’ion Cu2+ est un meilleur oxydant que l’ion Fe2+), c’est le fer qui subira 

donc la réaction d’oxydation, tandis que les ions Cu2+ se réduiront. 

La  demi‐réaction  d’oxydation  du  fer :  Fe(s)  →  Fe2+(aq)  +  2e‐  se  manifeste  par  une 

dégradation  de  l’électrode  de  fer.  Cette  électrode  est  appelée  anode  et  correspond  à  la 

borne négative de la pile. Les électrons formés par oxydation quittent l’anode pour se diriger 

vers l’électrode de cuivre au niveau de laquelle se produira la réduction. 

La demi‐réaction de réduction des ions Cu2+ : Cu2+(aq) + 2 e‐ → Cu(s) se manifeste par la 

formation  d’un  dépôt  de  cuivre  métallique  sur  l’électrode  de  cuivre.  Cette  électrode  est 

appelée cathode et correspond à la borne positive de la pile.  

 

Anode = électrode sur laquelle se produit l’oxydation 

Cathode = électrode sur laquelle se produit la réduction 

 

Le  pont  électrolytique  qui  ferme  le  circuit,  permet  de maintenir  l’électroneutralité 

dans chaque compartiment de la pile. Dans le compartiment de gauche, alors qu’au départ, 

les concentrations en chaque espèce ionique sont égales ([Fe2+] = [SO42‐]), l’oxydation du fer 

conduit à  l’augmentation de  la concentration en  ions Fe2+ ;  il  y a donc plus de cations que 

d’anions  ([Fe2+]  >  [SO42‐]).  Pour  rétablir  l’équilibre  ionique  (autant  de  charges  +  que  de 

charges  ‐)  dans  ce  compartiment,  des  anions NO3‐  diffusent du pont  électrolytique  vers  la 

solution  ([Fe2+]  =  [SO42‐]  +  [NO3

‐]).  De  la même manière,  dans  le  compartiment  de  droite, 

alors  qu’au  départ  [Cu2+]  est  égale  à  [SO42‐],  la  réduction  des  ions  Cu2+  conduit  à  la 

diminution  de  leur  concentration ;  il  y  a  cette  fois,  plus  d’anions  que  de  cations  ([Cu2+]  < 

[SO42‐]). Pour rétablir l’équilibre ionique, des cations K+ diffusent du pont électrolytique vers 

la solution ([Cu2+] + [K+] = [SO42‐]). 

  Dans une pile,  il  y  a donc  conversion de  l’énergie  chimique en énergie électrique, 

possible grâce à la réalisation de réactions spontanées.  

  Ce  genre  de  pile  n’est  bien  évidemment  pas  pratique  à  utiliser.  Des  piles  plus 

pratiques, basées sur  le principe de  la pile présentée ci‐dessus, ont donc été développées, 

Page 36: Chimie Combustion

36

miniaturisées,  rendues  « sèches »  et  de  formes  adaptées  à  toutes  applications.  Voici  ci‐

après, la description de deux piles commerciales parmi les plus vendues.  

  

Exemples de piles commerciales : 

 

a) La pile saline 

Par analogie avec la pile décrite dans le paragraphe précédent, le « compartiment de 

gauche », correspondant au système anodique est, cette fois, constitué d’une électrode de 

zinc, qui sert à la fois d’anode et de boitier à la pile, plongeant dans un gel dans lequel est 

dissous du chlorure d’ammonium (NH4Cl) et du chlorure de zinc (ZnCl2). Ce mélange joue le 

rôle d’électrolyte. Cette partie forme la périphérie de la pile et est séparée de la seconde par 

du papier 

Le « compartiment de droite » qui servait 

de système cathodique est, dans le cas de 

la pile saline, constitué d’une électrode de 

carbone  graphite  servant  à  récupérer  les 

électrons, entourée d’un mélange d’oxyde 

de  manganèse  (MnO2)  mélangé  à  du 

graphite. Cette partie forme le cœur de la 

pile. 

 

La  demi‐réaction  anodique est  la  demi‐

réaction d’oxydation du zinc métallique :  

Zn(s) → Zn2+(aq)  +  2 e‐ 

 

 Figure 9 Pile saline 

 

 

La demi‐réaction cathodique est la demi‐réaction de réduction de l’oxyde de manganèse :  

MnO2(s) + 4 H+(aq) + 2e

‐ → Mn2+(aq) + 2 H2O(l) 

Les  protons  intervenant  dans  cette  réaction  sont  issus  du  chlorure  d’ammonium 

NH4Cl. En effet, ce sel se dissocie NH4Cl(aq) → NH4+(aq) + Cl

‐(aq), et (pour rappel) l’ion NH4

+ est 

l’acide conjugué de l’ammoniac NH3.  

Page 37: Chimie Combustion

37

Remarque : comme le boitier de la pile saline sert également d’anode, celui‐ci peut au cours 

du  temps  finir  par  se  percer,  conduisant  à  la  libération  de  composés  corrosifs  pour  les 

appareils  électriques.  Pour  éviter  ce  genre  de  désagrément,  un  autre  type  de  pile  à  été 

élaboré ; la pile alcaline. 

 

b) La pile alcaline 

 

  La pile alcaline présente deux grandes différences avec la pile saline. Premièrement, 

la  partie  anodique  est  située  au  cœur  de  la  pile,  et  la  partie  cathodique  en  périphérie,  le 

boitier  (cette  fois  en acier) ne  sert plus d’anode,  limitant  ainsi  les  risques de dégradation. 

Deuxièmement, le gel acide servant d’électrolyte est remplacé par une solution d’hydroxyde 

de potassium KOH (basique ou alcalin) très concentrée. 

Les deux réactions se déroulent cette fois en milieu basique : 

La demi‐réaction anodique est la demi‐réaction d’oxydation du zinc métallique : 

Zn(s) + 2 OH‐(aq)  →  Zn(OH)2(s)  +  2 e

‐ 

La demi‐réaction cathodique est la demi‐réaction de réduction de l’oxyde de manganèse :  

MnO2(s) + 2 H2O(l) + 2e‐ → Mn(OH)2(s) + 2 OH

‐(aq) 

Ce système est plus étanche et présente une durée de vie plus longue car il possède plus de 

zinc et d’oxyde de manganèse que la pile saline. 

 

Deux grandes caractéristiques sont à retenir pour les piles : 

Elles ne sont pas rechargeables et une fois qu’un réactif vient à manquer, la pile s’arrête. 

Le potentiel de la pile diminue au cours du temps.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 38: Chimie Combustion

38

 3. Les accumulateurs : 

 

    Une  batterie  au  plomb  est  un  ensemble  d'accumulateurs  au  plomb‐acide 

disposés  en  série,  réunis  dans  un  même  boîtier.  Contrairement  aux  piles,  une  fois 

l’accumulateur déchargé, une énergie électrique peut reformer les réactifs. Ces systèmes de 

stockage  de  l'électricité  sont  largement  utilisés  dans  l'industrie  et,  dans  l'équipement  des 

véhicules automobiles. 

 

 

Cette  batterie  sert  à  alimenter  les  composants  électriques  des  véhicules  à  moteur  à 

explosion,  particulièrement  le  démarreur  électrique,  alimentée  par  une  dynamo  ou  un 

alternateur. Historiquement,  les batteries de voitures ou de motocyclettes faisaient  le plus 

souvent 6 volts (3 éléments).  

À l'époque moderne, les batteries à 12 volts (6 éléments) sont généralisées sur les voitures 

et  motocyclettes,  alors  que  les  véhicules  lourds  ou  militaires  utilisent  le  24  volts.  Les 

batteries au plomb servent aussi à alimenter toutes sortes d'engins électriques. Les voitures 

électriques ont toujours échoué du fait du mauvais rapport masse/énergie des batteries. Ces 

batteries peuvent servir à stocker de l'énergie produite par intermittence, comme l'énergie 

solaire ou éolienne. 

 

Figure 10 accumulateur au plomb

Page 39: Chimie Combustion

39

 

 

Les réactions électrochimiques aux électrodes sont les suivantes :  

 

 

L’électrolyte est l’acide sulfurique H2SO4 

A l’électrode négative (anode à la décharge et cathode à la charge) (cf. Electrolyse) 

 

A l’électrode positive (cathode à la décharge et anode à la charge): 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sens décharge

Sens charge

Page 40: Chimie Combustion

40

Constatations :  

 

La concentration en électrolyte diminue pendant la décharge et augmente pendant la 

charge 

Comportement à la décharge et à la charge : 

 

A la décharge : E diminue d’autant plus vite que I augmente et la résistance 

de la batterie r augmente vu que la concentration en électrolyte diminue. 

A  la  charge :  Les  réactions  s’inversent  pour  générer  les  réactifs.  Si  on 

« surcharge »  (+  de  2,4  V /  éléments),  on  électrolyse  l’eau,  donc : 

dégagement d’hydrogène à l’électrode négative et dégagement d’oxygène à 

l’électrode positive. Il est donc nécessaire de rajouter de l’eau. Ceci est vrai 

pour  les  anciennes  batteries.  Aujourd’hui,  on  trouve  des  batteries  à 

électrolyte gélifié, donc il n’est plus nécessaire de rajouter de l’eau. 

Les principales causes de dégradation des batteries sont : 

• la sulfatation 

• la décharge complète 

• le cyclage (une fois la batterie usée, l’électrolyte devient noirâtre) 

• l'oxydation des électrodes 

• l'oxydation des bornes 

 

Une tension aux bornes de la batterie inférieure à 12,2 V (pour une tension nominale de 12 

V) enclenche  le processus de  sulfatation  interne des plaques. Un maintien prolongé à une 

tension  inférieure  ou  égale  à  cette  valeur  engendre  une  détérioration  irréversible  de  la 

batterie réduisant sa puissance de démarrage. Une batterie sulfatée soumise à une recharge 

reprend sa tension nominale mais sa puissance au démarrage est amputée. Le processus de 

sulfatation est  interrompu dès que  la batterie est  remise en charge. Une batterie dans cet 

Page 41: Chimie Combustion

41

état ne permettra pas plusieurs démarrages consécutifs d'un véhicule automobile et pourra 

provoquer,  par  exemple,  une  panne  immobilisante  dès  les  premiers  froids.  De  manière 

générale, il faut recharger sa batterie régulièrement pour la faire durer. 

Pour un véhicule automobile,  la décharge complète de  la batterie  intervient généralement 

par  une  faible  consommation  pendant  une  durée  prolongée  (ex  plafonniers)  ou  par  une 

consommation importante (ex feux de croisement, ventilation), moteur à l'arrêt. La tension 

est alors très faible aux bornes de la batterie, inférieure à 10 volts pour une batterie dont la 

tension  nominale  est  de  12 V.  Une  batterie  de  démarrage  se  décharge  également  toute 

seule  dans  le  temps.  Elle  risque  donc  d'atteindre  sa  décharge  complète  si  elle  n'est  pas 

rechargée  régulièrement.  Pour  cette  raison,  il  existe  les  chargeurs  "  d'entretien  "  de 

batteries. Les batteries en état de décharge complète doivent être rechargées dans un délai 

maximum de 48 heures : au‐delà, les dommages sont irréversibles (sauf par désulfatation). 

Enfin,  l'oxydation  est  une  cause  de  dysfonctionnement  des  batteries.  Lorsque  le  niveau 

d'électrolyte est trop bas,  les plaques entrent au contact de l'air et s'oxydent. La puissance 

au  démarrage  est  amputée,  même  si  le  niveau  d'électrolyte  est  complété.  Le  manque 

d'électrolyte  peut  venir  d'une  utilisation  intensive  (ex:  équipements  auxiliaires...),  d'une 

température extérieure importante (supérieure ou égale à 30 °C) ou d'une tension de charge 

trop élevée. 

 

Page 42: Chimie Combustion

42

 

 

 

Figure 11 tranche d'accumulateur au plomb  

 

4. Les piles à combustible : 

 

Une pile à combustible est une pile produisant des électrons par oxydation d’un combustible 

réducteur et par réduction d’un combustible oxydant. La pile à combustible a une durée de 

vie théoriquement infinie, car tant qu’il y a apport en combustible, elle peut fonctionner.     

Un exemple connu de pile à combustible (Figure II.5) qui commence à se développer 

dans le milieu automobile est la pile à hydrogène pour laquelle le combustible réducteur est 

l’hydrogène gazeux H2 et le combustible oxydant est l’oxygène contenu dans l’air O2. La pile 

à  hydrogène  est  composée  de  deux  électrodes  contenant  parfois  des  catalyseurs  (ex : 

l’anode  contient  du  platine)  reliées  à  un  électrolyte.  Suivant  les modèles,  l’électrolyte  est 

liquide ou solide, le développement des électrolytes polymères (= plastique,…) est en pleine 

expansion.  

Page 43: Chimie Combustion

43

 Figure 12 Pile à combustible 

 

L’hydrogène et l’oxygène (contenu dans l’air) sont acheminés vers, respectivement, l’anode 

et  la  cathode.  L’hydrogène est,  à  l’aide du platine  contenu dans  l’anode,  oxydé  suivant  la 

demi‐réaction : H2 → 2 H+ + 2e‐. Les électrons sont envoyés dans  le circuit électrique pour 

rejoindre la cathode, alors que les protons H+ formés sont transférés à la cathode à travers 

l’électrolyte. La réduction de l’oxygène se produit à la cathode suivant la demi‐réaction : O2 + 

4 H+ + 4 e

‐ → 2 H2O. La réaction rédox globale est donc : 2 H2 + O2 → 2H2O. Cette réaction 

spontanée est  l’inverse de  l’électrolyse de  l’eau  (réaction  forcée qui  consomme beaucoup 

d’énergie).  Les  gaz  d’échappements  ne  contiennent  que  de  la  vapeur  d’eau  (produit  de 

réaction)  et  l’azote  de  l’air  qui  ne  réagit  pas.  Ce  type  de  pile  est  donc  en  théorie  non 

polluante, néanmoins la production d’hydrogène demande beaucoup d’énergie et peu être 

très polluante. 

Deux  problèmes majeurs  limitent  le  développement  de  cette  technique  dans  le  domaine 

automobile ;  d’une  part  la  production  d’hydrogène  et  d’autre  part  le  stockage  de  cet 

hydrogène dans le véhicule. 

L’hydrogène H2 est un gaz qui n’existe (presque) pas à l’état naturel à la surface de la terre 

(par  contre  l’atome H  est  présent  dans  un  grand  nombre  de molécules).  Il  est  fortement 

explosif.  

Deux grandes voies de production sont possibles : 

La plus économique est  la production à partir d’hydrocarbures  (issus du pétrole = énergie 

fossile)  comme  le  gaz naturel  (méthane CH4)  :  CH4    +   ½ O2   →  2 H2  + CO ;  il  s’agit  d’une 

oxydation partielle conduisant à la formation d’hydrogène et de monoxyde de carbone. 

Page 44: Chimie Combustion

44

L’électrolyse de l’eau consomme énormément d’énergie, il faut 142MJ pour produire un kg 

d’hydrogène. 

Il est donc  important de conclure que  l’hydrogène n’est pas une source d’énergie mais un 

vecteur d’énergie. 

Le problème du stockage est également à prendre en considération. A l’heure actuelle, deux 

techniques  sont  utilisées  pour  stocker  des  gaz :  la  liquéfaction  et  la  compression.  Cette 

première  peut  d’emblée  être  oubliée  pour  le  stockage  de  l’hydrogène  puisque  sa 

température de liquéfaction est de ‐253°C. Il est également important de se rendre compte 

que pour obtenir une même puissance, il faut trois fois plus d’hydrogène que d’essence, ce 

qui demanderait des réservoirs réfrigérés bien trop gros. 

Les  bonbonnes  actuelles  de  80  litres  sont  comprimées  à  300  atm  (=300  fois  la  pression 

atmosphérique) mais ne contiennent que 1,5 kg d’hydrogène,  l’utilisation de bonbonnes à 

700atm permettrait d’avoir un dispositif plus  facile à utiliser mais à  l’heure actuelle aucun 

matériau ne peut supporter une telle pression. 

Une solution alternative est  le stockage chimique, c'est‐à‐dire  l’utilisation de molécules qui 

par décomposition rapide dans un dispositif précédent la pile à combustible peuvent donner 

de  l’hydrogène  en  suffisance.  C’est  le  cas  du méthanol  CH3OH  qui  par  décomposition  va 

donner  H2,  CO2  et  parfois  CO.  Dans  ce  cas,  l’échappement  contiendra  des  gaz  à  effet  de 

serre. 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 45: Chimie Combustion

45

4.6 L’électrolyse.  

 

La  réaction  d’oxydoréduction  produite  dans  une  pile  et  permettant  la  transformation  de 

l’énergie  chimique  en  énergie  électrique  est  une  réaction  spontanée.  Il  est  également 

possible de provoquer  la  réaction d’oxydoréduction  inverse, en  transformant cette  fois de 

l’énergie  électrique  fournie  au  système  en  énergie  chimique.  Ce  phénomène  s’appelle 

l’électrolyse.  

 

L’électrolyse  de  l’eau  ou  d’une  solution  d’électrolyte  peut  être  réalisée  dans  un  appareil 

ressemblant  à  une  pile  mais,  cette  fois,  un  courant  continu  est  appliqué  aux  électrodes 

(anode  et  cathode).  Deux  différences  avec  la  pile  sont  toutefois  requises :  les  deux 

électrodes plongent dans le même électrolyte et elles ne sont pas séparées. 

 Figure 13 Electrolyse de l'eau

 

         L’électrolyse de l’eau peut être réalisée dans 

l’appareil présenté ci‐contre (Fig. II.3). A la borne 

positive,  il  se  dégage  de  l’oxygène  gazeux  O2 

formé par oxydation de l’eau.  

Demi‐réaction d’oxydation : 4OH‐ → O2 + 2H2O + 

4e‐  

Or, une réaction d’oxydation se produit toujours 

à  l’anode,  la  polarité  de  l’anode  est  donc 

inversée  dans  l’électrolyse  par  rapport  à  la  pile. 

De  même,  à  la  borne  négative  se  produit  la 

réduction  de  l’eau  formant  ainsi  de  l’hydrogène 

gazeux H2. 

Demi‐réaction de  réduction :  2H2O + 2e‐ → H2  + 

2OH‐   

Cette  réaction  de  réduction  a  lieu  à  la  cathode 

chargée négativement. 

 

La  réaction globale  (somme des deux demi‐réactions) d’électrolyse de  l’eau c'est‐à‐

dire la réaction forcée est : 2 H2O →  O2  +  2 H2. 

Page 46: Chimie Combustion

46

Remarque :  au  vu  de  la  stœchiométrie  de  réaction,  il  est  logique  d’observer  un  volume 

d’hydrogène dégagé qui est le double de celui d’oxygène.  

Il  est  donc possible par  l’apport  d’énergie  électrique à un  système, de  réaliser  une 

réaction  forcée  d’oxydoréduction  (inverse  de  la  réaction  spontanée).  C’est  sur  ce  principe 

que  se  base  le  fonctionnement  des  accumulateurs.  En  effet,  dans  les  accumulateurs,  les 

réactions des systèmes rédox choisis, qui donnent de l’électricité lorsqu’elles se produisent 

spontanément, peuvent être  inversées par  l’apport d’électricité,  conduisant à  la  formation 

des composés de départ. 

   

L’électrolyse  peut  également  servir  à  déposer  un  métal  en  solution  sur  une  plaque 

métallique  pratiquement  d’un  autre  métal.  Ce  principe  sera  illustré  en  2e  année  lors  du 

laboratoire de connaissance des matériaux.  

 

 

  

                                                             ‐        + 

 

 

 

 

 

Figure 14 Cellule électrochimique  

 Pour ce faire, il faut appliquer une force électromotrice externe en opposition avec celle de 

la pile et plus grande qu’elle : processus inversé. On soumet alors une solution électrolytique 

à l’action d’un courant électrique. Il apparaît alors une oxydo‐réduction.  

 

Les ions négatifs migrent vers la borne positive pour y céder leur électron pour réaliser une 

oxydation (anode). Les ions positifs, quant à eux, migrent vers la borne négative et y captent 

les  électrons  (cédés  par  les  anions)  pour  réaliser  une  réduction :  cathode.  Ces  réactions 

peuvent  se  réaliser  avec  des  électrodes  inattaquables,  souvent  en  platine,  ou  avec  des 

électrodes participant aux réactions.  

Charge +

Charge -

e-

Page 47: Chimie Combustion

47

Les lois de Faraday : 

 

«  La masse de métal déposé à la cathode est proportionnelle à la quantité d’électricité qui a 

traversé la cuve pendant la durée de l’électrolyse ».  

 

 

Avec Q : quantité de courant en coulomb ; I : intensité du courant en Ampère et t le temps 

en seconde.  

 

« Le  passage  de  96500  Coulomb  correspond  au  dépôt,  après  dissolution,  d’un  équivalent‐

gramme à chaque électrode. 

 

Dès lors, la masse de métal déposé sera calculée par la relation suivante :  

 

 

 

Avec m : masse de métal déposé ; Ma : masse atomique du métal et z : nombre d’électrons 

échangés.  

 

Application dans le domaine automobile: le plaquage.  

La technique du plaquage par électrolyse consiste à recouvrir des objets d'une mince couche 

régulière  d'un métal  généralement  précieux  ou  d'un  alliage:  dorure,  argenture,  nickelage, 

chromage, cadmiage, cuivrage... 

Par exemple, une bague est plongée dans une solution de chlorure d'argent (Ag+ + Cl‐) reliés 

à un générateur. 

Les ions d'argents vont se déposer sur l'anneau selon la réaction d'oxydo‐réduction : 

Ag+(aq) + e‐ ‐> Ag(s) 

Page 48: Chimie Combustion

48

On obtient ainsi un anneau plaqué argent. 

 

Plus généralement,  les dérivés chimiques d'un métal donné peuvent être utilisés à des fins 

de placage avec ce dernier. Ainsi, on peut couvrir un objet métallique de cuivre avec le bain 

de sulfate de cuivre qu'on utilise d'ordinaire pour traiter la vigne. 

Facteurs favorisant le phénomène : 

• Concentration du bain : plus le bain est concentré, plus le placage est rapide. 

• Surface de la pièce à plaquer : plus la surface de la pièce est grande, plus l'intensité 

électrique doit être élevée. 

• La vitesse du dépôt : elle est proportionnelle à  la quantité de courant  traversant  la 

pièce à plaquer. 

• La température : la chaleur favorise le rendement du bain. 

  

  Anode = oxydation  Cathode = réduction 

 

Processus 

PILE  ‐  +  spontané 

ELECTROLYSE  +  ‐  forcé 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 49: Chimie Combustion

49

 

Soit une réaction chimique quelconque : les réactifs A et B réagissent ensemble pour former les 

produits C et D. 

 

A + B → C + D 

 

Cette réaction se déroule en plusieurs phases : 

 

Les réactifs passent d'un niveau énergétique  initial, appelée enthalpie Hr, à un état de 

transition Ht ou état activé. 

 

Il y a ensuite passage de cet état de transition à un état énergétique final, appelé 

enthalpie Hp, correspondant aux produits de la réaction. 

 

Chapitre 5 : Thermodynamique des réactions 

Figure 15 Evolution de l'enthalipie en fonction du temps

Selon que la différence d'énergie entre les réactifs et les produits (Hp - Hr) est positive ou négative, les réactions seront exo- ou endothermiques. La différence Ht - Hr conditionne la vitesse de la réaction. Plus cette différence est faible, plus le nombre de molécule pouvant atteint cet état de transition est élevé et plus le nombre de réactions par unité de temps est élevé. De nombreuses expériences permettent d’affirmer que la vitesse de réaction chimique croît d’une manière importante avec la température. Il est possible de faire varier la vitesse des réactions (activation) en jouant sur cette différence d'enthalpie et ce de deux manières.

Page 50: Chimie Combustion

50

Par  une  activation  thermique :  augmentation  de  la  température  (chauffage  du  milieu 

réactionnel) ce qui augmente le niveau d’énergie des réactifs.  

  

Par une activation catalytique, c'est‐à‐dire par l’emploi de catalyseur : substances étrangères à la 

réaction permettant de diminuer le niveau d’énergie de transition.  

 

Dans  les  deux  cas,  un  plus  grand  nombre  de  molécules  de  réactifs  passe  cette  barrière 

réactionnelle (Ht) pour participer à la réaction.  

 

Il existe deux types de catalyseurs : 

 

Les catalyseurs POSITIFS qui augmentent la vitesse de réaction. 

 

  

Les  catalyseurs  NEGATIFS  qui  la  diminuent.    On  appelle  parfois  ces  derniers  des 

inhibiteurs.  Ils ont un effet exactement contraire aux précédents. 

Figure 16 Phénomène d'activation chimique 

Page 51: Chimie Combustion

51

Application dans le domaine automobile : Le pot catalytique.  

 

Le  pot  catalytique  est  une  amélioration  récente  du  pot  d'échappement  des  moteurs  à 

explosion.  C'est  un  des  éléments  visant  à  limiter  la  nocivité  des  gaz  d'échappement  des 

véhicules motorisés. 

 

 

 

 

Le pot catalytique est constitué d'une chambre d'acier inoxydable dans laquelle sont conduits 

les  gaz  d'échappement,  lesquels  traversent  les  conduites  capillaires  d'une  structure  en  nid 

d'abeille généralement  faite en céramique. L'intérieur des conduits est  recouvert d'une fine 

couche  de  cristaux  d’agents  catalytiques  combinant  des  métaux  précieux :  platine  et 

palladium :  catalyseur  d’oxydation  et  rhodium :  catalyseur  de  réduction).  La  structure  est 

conçue pour offrir  une  grande  surface de  contact  entre  les  éléments  catalyseurs  et  les  gaz 

d'échappement. Les éléments catalyseurs déclenchent ou accentuent les réactions chimiques 

qui  tendent  à  transformer  les  constituant  les  plus  toxiques  des  gaz  d'échappement 

(monoxyde  de  carbone,  hydrocarbures  imbrûlés,  oxydes  d'azote),  en  éléments  moins 

toxiques (eau et CO2). 

Il existe deux grands types de pot catalytique, chacun adapté à la nature du carburant utilisé. 

Catalyseur dit à trois voies (pour les moteurs à essences) ; 

Catalyseur dit à deux voies associé ou non à un filtre à particule pour les moteurs 

au diesel. 

 

Figure 17 Le pot catalytique

Page 52: Chimie Combustion

- 52

a) Le catalyseur à trois voies (moteur essence) 

Dans celui‐ci, trois réactions simultanées de déroulent : 

1. Une réduction des oxydes d'azote en azote et en dioxyde de carbone :  

 

2.  Une oxydation des monoxydes de carbone en dioxyde de carbone :  

 

3. Une oxydation des hydrocarbures imbrûlés (HC) en dioxyde de carbone et en eau :  

 

Cependant, une réaction parasite ce type de catalyseurs aux températures élevées : 

 

Ajoutons que le pot n'est efficace qu'à partir d'environ 400°C (activation thermique), ce qui 

explique que ceux‐ci sont relativement inefficaces pour de petits trajets car la température 

idéale  n’est  pas  atteinte.  Les  réactions  d'oxydations  (demandant  une  forte  présence 

d'oxygène) et de réduction (demandant une faible présence d'oxygène) sont contradictoires. 

Elles ne se produisent simultanément que si la quantité d'air dans le carburant est optimale. 

Ceci est assuré par la sonde Lambda* qui renseigne le calculateur de gestion du moteur. 

b) Le catalyseur à deux voies (moteur diesel) associé à un filtre à particules. 

Le pot catalytique du moteur diesel est un modèle deux voies, donc il traite uniquement le 

CO et hydrocarbures imbrûlés. Ils ne réduisent pas les oxydes d'azote dont la production est 

trop importante dans le cas d’un moteur diesel (moteur fonctionnant en excès d’air). L'autre 

différence est la taille supérieure des alvéoles pour éviter l'encrassement dû à la suie.  

Ajoutons que les moteurs à carburant non gazeux (GPL...) et surtout fonctionnant au diesel 

émettent des particules (suies, fumée noire). Le pot catalytique ne retient pas les suies ni les 

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particules, qui par ailleurs gênent son fonctionnement. Un filtre peut être pré‐installé dans le 

pot, ces particules étant polluantes et cancérigènes et/ou mutagènes suspectées ou avérées. 

Le  filtre  doit  être  régulièrement  changé.  Certaines  particules  comme  les  suies  (noir  de 

carbone)  peuvent  trouver  un  usage  commercial.  Les  normes  d'émissions  Euro  4  sont 

applicables  aux  poids  lourds  à  partir  du  1er  octobre  2006  et  l'Amérique  du  Nord  vend 

désormais le gasoil à teneur réduite en soufre. 

 

 

 

 

 

 

         

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Partie B :   

La pétrochimie  

« La pétrochimie est la science qui s'intéresse à l'utilisation des composés 

chimiques de base issus du pétrole brut  et qui le transforme en d'autres composés 

qui peuvent exister ou non dans la nature.» 

         

 

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 6.1 Les gisements de pétrole  Le pétrole (en latin « petra oleum » signifiant l’huile de roche) s'est formé sous la surface de la  terre,  par  suite  de  la  décomposition  d'organismes  marins  (plancton)  :  les  restes  de minuscules  organismes  vivant  dans  la mer  et,  en moindre  quantité,  ceux  des  organismes terrestres qui sont entraînés vers la mer par les rivières et ceux des plantes qui poussent sur le  fond des océans,  sont mélangés  à  la  boue et  au  limon qui  se déposent  sur  le  fond des bassins  marins  pour  former  des  couches  de  sédiments  riches  en  matières  organiques,  le kérogène.  

 Figure 18 : Formation du pétrole et du gaz naturel dans la roche mère 

 

 

Chapitre 6 : Du gisement à la pompe 

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Ces  dépôts,  riches  en  matières  organiques, sont  les  roches  sources  de  la  formation  de pétrole  brut  (roches  mères).  Le  processus  a commencé il y a des millions d'années avec le développement d'une vie  abondante et  il  se poursuit  encore  aujourd'hui.  Les  sédiments s'alourdissent  et  tombent  au  fond  de  l'eau sous  l'effet de  leur propre poids. Au  fur et à mesure  que  les  dépôts  supplémentaires s'empilent,  la  pression  exercée  sur  ceux  qui se  trouvent  en  dessous  augmente  plusieurs milliers de fois et la température s'accroît de plusieurs  centaines  de degrés.  La  boue et  le sable  durcissent  pour  former  des  schistes argileux  et  du  grès;  le  carbone  est  précipité et les coquilles de squelettes durcissent et se transforment  en  calcaire;  les  restes  des organismes morts  sont  ainsi  transformés  en pétrole brut et en gaz naturel.  

 Figure 19 : Etat du sous‐sol 

  

  

Le  pétrole  brut  est  probablement  la  matière  première  la  plus  utilisée  et  la  plus  versatile disponible  à  des  fins  d'exploitation  (utilisation  dans  l’industrie  chimique,  fabrication  de goudron, de carburants…).  Vers  le  milieu  des  années  1980,  environ  8,9  millions  de  barils  de  brut  étaient  produits chaque  jour  aux  États‐Unis  et  5  autres  millions  de  barils  de  pétrole  brut  et  de  produits pétroliers étaient importés. La production mondiale était de 53,4 millions de barils par jour. L'Union soviétique était le plus gros producteur, avec environ 11,8 millions de barils par jour; l'Arabie Saoudite était le troisième producteur, avec à peu près 3,5 millions de barils, moins de  la  moitié  de  ce  qu'elle  produisait  en  1980.  Ainsi,  les  trois  principaux  producteurs représentaient à eux seuls près de la moitié des réserves mondiales. 

 

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 Figure 20 : Présence géographique d’exploitation de pétrole 

  

 6.2 Formation des nappes 

 Au fur et à mesure que de nouvelles couches de sédiments se déposent au dessus de cette strate  riche  en  matières  organiques,  la  «  roche‐mère  »  ou  «  roche‐source  »,  voit  ses conditions de  température et de pression augmenter.  La matière organique se  transforme d’abord  en  kérogène,  un  «  extrait  sec  »  disséminé  dans  la  roche  sous  forme  de  petits grumeaux. Si  la température devient suffisante (le seuil est à au moins 50°C, généralement plus  selon  la  nature  de  la  roche  et  du  kérogène),  et  si  le milieu  est  réducteur  (pauvre  en oxygène,  dans  le  cas  contraire  le  kérogène  sera  simplement  oxydé),  le  kérogène  sera pyrolysé de façon extrêmement lente.   Le kérogène produit du pétrole et/ou du gaz naturel, qui  sont des matières plus  riches en hydrogène,  selon  sa  composition  et  les  conditions  d’enfouissement.  Si  la  pression  devient suffisante  ces  fluides  s’échappent,  ce  qu’on  appelle  la  migration  primaire.  En  général,  la roche  source  a  plusieurs  dizaines,  voire  centaines  de  millions  d’années  quand  cette migration se produit. Le kérogène lui‐même reste en place, appauvri en hydrogène.  6.3 Composition du pétrole brut  On  distingue  les  pétroles  en  fonction  de  leur  origine  et  donc  de  leur  composition.  Le mélange d’hydrocarbures issu de ce long processus comprend des chaînes linéaires plus ou moins longues, ainsi que des chaînes cycliques naphténiques ou aromatiques. Il est possible de distinguer  les différents types de pétrole selon leur densité,  leur fluidité,  leur teneur en soufre et autres impuretés (vanadium, mercure et sels) et leur teneur en différentes classes 

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d’hydrocarbures. Le pétrole est alors paraffinique, naphténique ou aromatique.  Il est aussi possible  de  les  classifier  parfois  selon  leur  provenance  (golfe  Persique,  mer  du  Nord, Venezuela,  Nigeria),  car  le  pétrole  issu  de  gisements  voisins  a  souvent  des  propriétés proches.  Il existe des centaines de bruts de par le monde. Certains servent comme étalon pour établir le prix moyen du pétrole en provenance d’une région donnée. Les bruts les plus connus sont l'Arabian Light (brut de référence du Moyen‐Orient),  le Brent (brut de référence européen) et le West Texas Intermediate (WTI, brut de référence américain).  Selon sa provenance,  le brut peut contenir du gaz dissous, de  l’eau salée, du soufre et des produits sulfurés (thiols (mercaptans) surtout). Il a une composition trop complexe pour être décrite en détails. Il faut distinguer simplement trois catégories de brut :  • A prédominance paraffinique : les hydrocarbures linéaires sont les plus abondants, ces 

bruts sont  les plus recherchés car  ils donnent directement une grande proportion de produits légers comme l'essence et le gasoil; 

• A prédominance naphténique : beaucoup d'hydrocarbures à cycle saturé ; • A  prédominance  aromatique  :  les  hydrocarbures  présentant  un  cycle  insaturé  sont 

plus abondants.  Il faut signaler également qu’il existe des bruts aptes à faire du bitume, ce sont des bruts très lourds  de  type  Boscan,  Tia  Juana,  Bachaquero  ou  Safaniyah.  Les  deux  principaux  critères pour  classer  les  centaines  de  bruts  différents  qui  existent  sont  la  gravité  (densité)  et  la teneur  en  soufre,  depuis  le  plus  léger  et  le  moins  sulfureux  (qui  a  la  plus  haute  valeur commerciale) qui est du condensat, jusqu’au plus lourd et au plus sulfureux qui contient 90 % de bitume environ : c’est un brut d’Italie.     

6.5 L’extraction du pétrole  La première étape de l’exploitation d’un puits de pétrole est de détecter les nappes. Il s’agit en  réalité  de  détecter  les  pièges  possibles  pour  en  vérifier  la  présence  de  pétrole.  La géologie étudie la structure du terrain en surface et en extrapole la structure du sous‐sol.  Après le forage d'un puits d'exploration, destiné à confirmer la présence de pétrole, d'autres puits  sont creusés pour délimiter  le gisement.  La plupart des puits  sont  forés à  l'aide d'un trépan, un outil de coupe situé à  l'extrémité d'un train de tige de forage supporté par une tour métallique appelée derrick (Cf. Figure 5). Le trépan est entraîné en rotation. La vitesse de  forage varie  fortement en  fonction de  la nature des  roches  traversées. De  la  "boue de forage" (un mélange d'argile d'eau et de produits chimiques) est injectée en permanence à l'intérieur des tiges. Elle remonte dans l'espace compris entre les tiges et les parois du puits. La boue permet de refroidir le trépan et d'évacuer les débris de forage. De retour en surface, la  boue  est  filtrée  et  réinjectée  dans  le  puits.  L'analyse  des  débris  permet  de  qualifier  les roches traversées. 

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 Les progrès dans les techniques de forage autorisent désormais la réalisation de forages de petits  diamètres,  de  forages  déviés  (obliques),  horizontaux, multidrains,  etc...  Ces  progrès ont  permis  l'exploitation  de  gisements  qui  n'étaient  jusqu'alors  pas  rentables,  pour  des raisons techniques et/ou économiques.  Pour  les  gisements  en  mer  (offshore),  on  a  généralement  recours  à  des  plate‐formes  de pompages  autonomes.  Des  navires  spéciaux  peuvent  être  utilisés  pour  l'exploitation  de gisements de plus faibles capacités.    

 Figure 21 : Extraction du pétrole brut 

  

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 Figure 22 : Système extracteur de type « Derrick » 

  

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6.6 Le transport du pétrole  

 Un traitement de décantage / dégazage sur le site d’exploitation servant à séparer le pétrole de la roche mère et du gaz dissous. Un dessalage permet également d’éliminer au maximum les déchets minéraux et solides avant le transport du pétrole brut.   Le transport du pétrole brut se fait pour la grande majorité de deux manières : sur terre par oléoduc et sur mer par cargo. Le transport sur terre peut également se faire par chemin de fer ou par camions mais le coût est généralement élevé par rapport à l'oléoduc. La carte ci dessous indique les principales routes empruntées par le pétrole.  Le pétrole de Russie dont la principale destination est l'Europe, est transporté par oléoduc. De même les échanges entre  le Canada et  les Etats‐Unis se font par oléoduc. Les oléoducs sont également utilisés pour les transports internes à une région (comme en Europe).  L'autre moyen  de  transport  est  l'utilisation  de  cargo.  Les  voies maritimes  principales  sont celles  partant  du  Golfe  Persique  à  destination  de  l'Asie  via  le  détroit  de  Malacca,  à destination  de  l'Europe  via  le  canal  de  Suez  (ou  le  Cap  de  Bonne  Espérance  pour  les pétroliers  trop  gros  pour  le  canal)  et  à  destination  de  l'Amérique  via  le  Cap  de  Bonne Espérance. Il existe quelques points de passage "stratégiques" dans l'approvisionnement du pétrole. Ces points sont les suivants:  

- Le détroit d'Hormuz qui est le lieu du plus important trafic de pétrole; - Le détroit de Bab el‐Mandab qui relie la Mer Rouge au Golfe d'Aden; - Le détroit du Bosphore qui  relie  la Mer Noire à  la Méditerranée et par où passe  le 

pétrole originaire de la Mer Caspienne ou de Russie; - Les  ports,  oléoducs  et  gazoducs  de  Russie  qui  alimentent  l'Europe  de  l'Est  et  de 

l'Ouest; - Le canal de Panama et l'oléoduc Trans‐Panama; - Le détroit de Malacca entre Singapour et l'Indonésie et qui alimente l'Asie  - Le canal de Suez et l'Oléoduc de Sumed   

  

     

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 Figure 23 Transport du pétrole brut 

7 Le raffinage du pétrole  Le raffinage du pétrole désigne l'ensemble des traitements et transformations visant à tirer du  pétrole  le maximum  de  produits  à  haute  valeur  commerciale.  Selon  l'objectif  visé,  en général, ces procédés sont réunis dans une raffinerie. La raffinerie est l'endroit où l'on traite le pétrole pour extraire les fractions commercialisables.   

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Le  pétrole,  qui  est  un mélange  de  différents  produits  hydrocarbonés,  pour  être  utilisable dans  les  différentes  branches  de  l'industrie  et  des moteurs  à  combustion,  doit  subir  une série  de  traitements  divers.  Très  souvent,  la  qualité  d'un  brut  dépend  largement  de  son origine.  Selon  son  origine,  sa  couleur,  sa  viscosité,  sa  teneur  en  soufre,  son  point d'écoulement,  sa  teneur en minéraux  varient. Aussi,  la  structure de  chaque  raffinerie doit tenir compte de tous ces facteurs.  En plus, une raffinerie doit être conçue pour traiter une gamme assez  large de bruts. Bien sûr, il existe des raffineries conçues pour traiter uniquement un seul brut, mais ce sont des cas particuliers où la ressource estimée en brut est assez importante.  Il  existe  des  raffineries  simples  ou  complexes.  Les  raffineries  simples  sont  constituées seulement  de  quelques  unités  de  traitement  tandis  que  les  raffineries  complexes  en possèdent bien plus.  En effet, selon l'objectif visé et l'endroit où se trouve la raffinerie, selon aussi la nature des bruts traités (par exemple brut BTS ou HTS, brut naphténique ou aromatique) la structure de la  raffinerie  à  construire  est  différente  ;  selon  également  les  besoins  potentiels  locaux  la raffinerie  peut  être  très  simple  ou  très  complexe.  Souvent  en  Europe,  aux  États  Unis  et généralement  dans  des  régions  où  les  besoins  en  carburants  sont  élevés,  la  structure  des raffineries  est  complexe.  Par  contre  dans  les  pays  en  développement,  cette  structure  est assez simple.  Le pétrole, une fois arrivé à la raffinerie, est stocké dans des bacs de grande taille. En général on stocke le pétrole à basse teneur en soufre (BTS) séparé de celui à haute teneur en soufre (HTS). Il en est de même dans le traitement. Selon la demande du marché à l'instant 't', on traite  d'abord  dans  un  cycle  avec  du  pétrole  BTS  avant  de  passer  dans  un  cycle  HTS  afin d'éviter  la  pollution des produits BTS par  ceux du HTS.  Si  c'est  le  cas  inverse,  les  produits issus  du  traitement  pendant  quelques  heures,  s'il  y  a  lieu,  sont  dirigés  vers  des  bacs  de produits HTS pour être retraités.              

    

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Le schéma suivant montre les différentes étapes au sein d’une raffinerie de pétrole :  

   Figure 24 : Schéma bloc de la raffinerie de pétrole 

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Figure 25 Colonne de distillation de raffinerie  

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Figure 26 Colonne de distillation schématisée

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6.7 Procédés de séparation   La distillation  est  un procédé de  séparation de  substances, mélangées  sous  forme  liquide. Elle  consiste  à  porter  le  mélange  à  ébullition  et  à  recueillir  une  fraction  légère  appelée distillat, et une fraction lourde appelée résidu.  Dans  le  cas  du  traitement  du  pétrole  brut  qui  n’est  rien  d’autre  qu’un  mélange d’hydrocarbures, une distillation intervenant à pression atmosphérique est nécessaire pour en  extraire  certaines  coupes.  Ce  traitement  physique  est  basé  sur  la  différence  des températures  d'ébullition  de  chacun  des  produits  purs  contenus  dans  le  pétrole.  En  effet chaque hydrocarbure pur possède des caractéristiques chimiques et physiques spécifiques. Les  coupes  récoltées  sont  les  suivantes :  (données  par  ordre  décroissant  de  température d’ébullition)  

• Coupe naphta  • Coupe kérosène • Coupe gazoles moyens et lourds • Résidus atmosphériques 

  Après  ce  traitement  préliminaire,  toutes  les  fractions  soutirées  vont  servir  de  charges (feedstocks) pour  alimenter  les  autres unités de  traitement en aval. Nous allons examiner ces  unités  en  partant  de  la  fraction  la  plus  légère  c’est‐à‐dire  celle  soutirée  en  tête  de  la colonne de distillation atmosphérique.  

a) Traitement de la coupe naphta 

La  fraction  naphta,  sortie  en  tête  de  colonne  contient  un mélange  de  tous  les  gaz  et  du naphta total (point final d'ébullition 180 °C, ou 150 °C si les besoins en kérosène sont élevés). Avant de réaliser la séparation en différentes petites fractions, ce naphta sera envoyé dans une  unité  d'hydrotraitement  afin  d'enlever  tout  le  soufre  qu'il  contient  (unité d’hydrodésulfuration).  Cette  unité  consiste  en  une  boucle  véhiculant  de  l'hydrogène, pressurisé par un compresseur, au travers d'un réacteur contenant un catalyseur (activateur de  réaction).  Celui‐ci  facilite  la  transformation  des  composés  soufrés  en H2S,  plus  facile  à évacuer car sous forme gazeuse. La réaction étant consommatrice d'hydrogène, un appoint est  fait  en  permanence,  en  général  depuis  l'unité  de  réformage  catalytique,  productrice d'hydrogène. L'essence et l'H2S formé sont séparés dans des ballons séparateurs successifs, dans  lesquels  on  va  soutirer  un  gaz  riche  en  hydrogène  renvoyé  dans  la  boucle  et  une essence riche en H2S. 

La  volonté  d’élimination  du  soufre  présent  dans  les  carburants  trouve  son  intérêt  dans  la protection  des  catalyseurs  utilisés  dans  les  unités  de  raffinage  et  dans  le  pot  catalytique. Ajoutons  que  le  soufre,  une  fois  dans  la  chambre  de  combustion,  réagit  avec  l’oxygène (combustion) pour former des oxydes de soufre qui, une fois dans la haute atmosphère, se transformera  en  acide  sulfurique  responsable  des  pluies  acides.  D'autre  part,  les  autres 

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produits commerciaux extraits de ce naphta tels que  le propane,  le butane ne doivent pas non plus contenir du soufre ou des composés sulfurés. 

 b) Traitement de la coupe kérosène  

Selon les besoins du moment, le raffineur peut fixer le point initial de coupe du kérosène à 150 °C ou à 180 °C. Le point final de distillation de cette coupe est en général de 225 °C mais peut aussi aller jusqu'à 250 °C. Si cette coupe est issue d'un brut TBTS (Très Basse Teneur en Soufre), il est inutile de la traiter. Si elle est issue d'un brut contenant du soufre, cette coupe est envoyée vers l'unité d'hydrotraitement afin d'enlever tout le soufre que celle‐ci contient.   Le  kérosène,  débarrassé  de  son  soufre,  est  envoyé  au  stockage  pour  être  utilisé  dans  la fabrication du JET A‐1, carburant pour les avions.  Les  spécifications  techniques  du  JET  A‐1  sont  assez  sévères  notamment  du  point  de  vue congélation,  un  peu  moins  au  niveau  de  la  teneur  en  soufre  du  produit.  Les  normes internationales pour  le point de  congélation du  JET A‐1  sont de  ‐47  °C.  En effet,  à  11.000 mètres d'altitude,  la  température extérieure peut descendre  jusqu'à  ‐65  °C, et on  imagine aisément les conséquences pour un avion si le carburant gelait dans les réservoirs. 

  c) Traitement de la coupe gazoles moyens et lourds  

La même remarque est à formuler pour les gazoles : dans le cas d’un gazole provenant d’un pétrole  à  haute  teneur  en  soufre,  il  sera  envoyé  dans  l’unité  d’hydrodésulfuration.  Le  cas échéant pas.   

 d) Traitement des résidus atmosphériques  

Comme dit  ci  avant,  la  première  distillation  est  dite  «atmosphérique»  car  elle  se  fait  à  la pression  ambiante  dans  une  colonne munie  d'un  certain  nombre  de  plateaux  perforés  et munis de clapets, en général de 30 à 50 plateaux. Après cette première distillation, la partie résiduelle  est  envoyée  dans  une  autre  colonne,  moins  haute  et  comportant  moins  de plateaux  qu'on  appelle  la  colonne  de  distillation  sous  vide  (40 mm de mercure).  En  effet, cette  fraction  résiduelle,  appelée  «résidu  atmosphérique»  contient  des  hydrocarbures  à longues  chaînes  et  plus  les  chaînes  sont  longues plus  elles  sont  fragiles,  dont  susceptibles d'être  scindées  en  plusieurs  morceaux  si  le  chauffage  continue  sous  la  pression atmosphérique. 

      

 

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6.8 Procédés de conversion  Dans un souci de fabriquer une plus grande quantité de produits dits « légers », à plus haute valeur ajoutée, les raffineries modernes réduisent leur capacité de distillation au profit d’un accroissement  des unités  de  conversion.  Ainsi,  à  partir  d’un  brut  classique,  type Arabe  ou Irak, la production passera de :   

•  20 % essences •  35 % distillats moyens •  35 % fuel lourd •  10 % autres 

 à une production de :   

• 30 % essences •  45 % distillats moyens •  15 % fuel lourd •  10 % autres 

  

a) Le réformage catalytique (Catalytic Reforming)  

Le  réformage  catalytique  a  deux  fonctions  essentielles :  améliorer  l’indice  d’octane  et produire  de  l’hydrogène  (utilisé  dans  d’autres  organes  de  la  raffinerie  comme l’hydrodésulfuration  ou  l’hydrocraquage).  Même  si  les  aromatiques,  recherchés  en pétrochimie,  sont  contestés  comme  carburants,  le  réformeur  est  indispensable  comme source d’hydrogène.  

 Le procédé consiste donc, en première approximation, à produire des aromatiques ayant 6 à 10 atomes de carbone, avec un maximum n’en ayant que 7, 8 ou 9. Pour cela, on part de charges contenant des paraffines ou des naphtènes ayant un nombre équivalent d’atomes de  carbone.  La  concentration  en  aromatique  est  directement  proportionnelle  à  la  valeur d’indice d’octane recherchée.   

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 Figure 27 noyau benzenique 

 

Figure 28 valeur de MON RON 

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b) Le craquage  

Le craquage catalytique est une opération qui consiste à fragmenter, sur un catalyseur acide à une  température avoisinant  les 500°C et à basse pression, des hydrocarbures de masses moléculaires élevées  (provenant des  coupes « distillat  sous vide »  situés dans une  fraction distillant au‐dessus de 350°C, en hydrocarbures de masses moléculaires plus faibles dont la plus grande partie est constituée par une coupe essence allant de C5 + à 200°C ou 220°C. Le but recherché est donc de produire une plus grande quantité de produits légers. De plus, les essences issues de ce procédé ont un indice d’octane élevé.   A l’heure actuelle, le craquage catalytique est le procédé de conversion le plus important du raffinage en termes de tonnages de charge traitée et de quantités de catalyseurs utilisés.   Deux technologies coexistent en parallèle :   

• Le  craquage  catalytique  à  lit  fluide  (catalyseur  circulant)  appelé  aussi  FCC  (Fluid Catalytic Cracking) 

• L’hydrocraquage  utilisant  un  catalyseur  fixe  sous  une  forte  température  de  l'ordre 250 à 450 °C et une forte pression d'hydrogène (entre 50 et 150 bars) 

 Ces procédés permettront de produire du gaz, de  l’essence et du gazole ; toujours dans ce souci de créer une plus grande quantité de produits à haute valeur ajoutée.  

c) L’alkylation aliphatique et isomérisation  

L'alkylation  est  une  opération  qui  fait  la  synthèse  des  paraffines  ramifiées  à  partir  de l'isobutane  et  d'oléfines  légères  pour  avoir  des  composants  de  carburants  à  haut  indice d'octane. C'est  l'opération  inverse d'un craquage. La  réaction est  faite en phase  liquide en présence d'un catalyseur qui peut être de  l'acide sulfurique ou de  l'acide fluorhydrique. Le composé obtenu est désigné sous le nom d'alkylat dans le jargon pétrolier et qui entre dans la composition des essences.  L'isomérisation  est  une  opération  qui  permet  de  transformer  une  paraffine  linéaire  en paraffine  isomérée  dans  le  but  d'augmenter  son  indice  d'octane.  La  charge  d'une  unité d'isomérisation  est  le  naphta  léger  (C5‐C6).  Le  composé  obtenu  est  désigné  sous  le  nom d'isomérat dans le jargon pétrolier, et qui entre dans la composition des essences.         

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 d) La viscoréduction  

Dans  le  cadre  de  la  valorisation  des  résidus,  ces  opérations  subsistent,  sous  forme  d’un craquage doux, destiné à diminuer la viscosité des résidus lourds pour les rendre utilisables comme  fuels  lourds  aux  spécifications  commerciales.  Ces  fuels  lourds  sont utilisés  comme combustible dans de gros moteurs diesels de navires ou de centrales thermiques  Pour mettre en œuvre ce procédé, la charge est portée à la température de craquage dans un  four  tubulaire.  A  la  sortie  du  four,  les  réactions  sont  interrompues  par  une  trempe effectuée par injection de gazole ou de résidu froid.   La viscoréduction s’applique :   

• Aux résidus atomosphériques, où il s’agit d’obtenir le maximum d’essences et de gazole, tout en respectant les spécifications de viscosité et du stabilité du fuel résiduaire ; 

• Aux résidus sous vide, où il s’agit d’en réduire au maximum la viscosité pour en  faire  des  fuels  industriels  après  addition  éventuelle  d’un  diluant  léger (gazole) 

 6 Le stockage des carburants  Il  existe  toujours  un  parc  de  stockage  dans  chaque  raffinerie.  Selon  la  complexité  de  la raffinerie, le nombre de bacs de stockage varie.   Les bacs sont de deux sortes : les bacs à toit flottant et ceux à toit fixe. Chez les premiers, le toit flotte et suit le niveau du produit, tandis que chez les derniers, le toit est fixe.  Comme  le propane et  le butane sont des gaz  liquéfiés  sous pression, on  les met dans des cigares pour le propane et des sphères pour le butane.  7 Conclusion et perspectives  Après  avoir  traversé  de  nombreuses  crises  qui  ont  mis  en  évidence  son  adaptabilité, l’industrie  du  raffinage  est  aujourd’hui  une  industrie  performante  et  dynamique.  De nombreux défis l’attendent pour faire face aux exigences du futur. Sans doute les solutions seront‐elles  largement  en  continuité  avec  celles  que  nous  connaissons  aujourd’hui.  Mais elles  devront  être  plus  sélectives,  plus  performantes ;  elles  concentreront  au  niveau  des raffineries  le  traitement de  certains problèmes  collectifs :  économies d’énergie, protection de l’environnement. Tout ceci nécessitera la mobilisation des capacités innovatrices de tous ceux qui contribuent au bon fonctionnement de cette industrie tant au niveau des procédés, des catalyseurs que de la conception et de l’exploitation des unités.   Nous pouvons maintenant étudier sélectivement le pool essence, gazole ainsi que LPG.   

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      7.1 Propriétés des essences  Les   carburants   sont   en   général   des   mélanges   d'hydrocarbures   :   pour    l'essence,   on  peut compter  environ  20  à  30%  d'alcanes  de  formule  CnH2n+2,  5%  de  cycloalcanes,  30  à 45%  d'alcènes    et    30    à    45%    d'aromatiques.    Les    propriétés    anti‐détonantes    d'un  carburant   sont mesurées  par  rapport  à  un  mélange  d'isooctane  (peu  détonant),  dont  le nom  exact  est  2,2,4‐ triméthylpentane, et de n‐heptane  (très détonant, au contraire).  Les caractéristiques  attendues de  l'essence  sont  de  faciliter  le  démarrage  à  froid,  assurer  le chauffage  du moteur,  fournir  un mélange air/essence  le plus   homogène possible.  Il  s'agit également  d'assurer  l'énergie  pour  les  accélérations.  L'essence  ne  doit  pas  former  de  vapeur  ni  de  givre,  ne  pas  engendrer  de  combustions  anormales,  ni  encrasser,  ni corroder  le  système  d’alimentation  ni  les  cylindres  et  enfin  avoir  un  bon  rendement énergétique.  

7.2 Composition des essences  L'essence  est  un  mélange  d'hydrocarbures  provenant  de  la  distillation  atmosphérique  du pétrole entre + ou ‐ 40°C et + ‐ 200°C, plus des additifs. La teneur en hydrocarbures doit être  d'au  moins  80  %  (additifs  compris),  les  20  %  restants  peuvent  être  constitués  de carburants  de  substitution  (composés  oxygénés).  On  divise  l'essence  en  3  catégories  de produits  :  les  légers,  les  moyens  et  les  lourds.  Ces  composés  interviennent  de  diverses manières dans l'utilisation.   Produits légers 

 Ils  sont  importants  pour  les  démarrages  à  froid.  A  basse  température,  ce  sont  eux  qui sont  volatilisés    et    qui    permettent    la    combustion.    Ils    doivent    aussi    réchauffer    le  moteur    pour  permettre  une  bonne  évaporation  du  reste  du  carburant.  Il  ne  faut  pas tomber  dans  l’excès contraire car lors de fortes chaleurs, il peut se former des tampons de vapeur qui interrompraient le flux de carburant. 

  Produits moyens  Ils  sont utilisés  lorsque  le moteur  est  en  régime.   Produits lourds  Ce  sont  les produits qui ont  le pouvoir calorifique  le plus élevé et qui devraient  fournir  la plus grande   partie   de   l’énergie.   Malheureusement,   ils   sont   difficilement   vaporisables   et  ces  composants  de  l’essence  vont  rester  imbrûlés  et  encrasser  les  cylindres,  diluer l’huile. Ce sont aussi les composants les plus polluants.  

Chapitre 7 : Le pool essence 

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 7.3 Courbe de distillation  La  teneur  en  composés  légers,  moyens  et  lourds  peut‐être  approchée  par  la  courbe  de distillation. Le  mode  de  fonctionnement  d'un  moteur  est  lié  à  la  part  de  volume  vaporisée    à    trois  températures    spécifiques    (70°C,    100°C    et    150°C)    de    la    courbe  d'ébullition,   Le   volume vaporisé à 70°C doit être suffisamment  important pour permettre au  moteur  froid  de  démarrer  facilement  (très  important  pour  les  moteurs  anciens  à carburateur), mais  suffisamment  limité pour  qu'il  n'y  ait  pas  formation  de  bulles  quand  le  moteur  est  chaud.    Le  pourcentage  de  carburant  vaporisé  à  100°C  détermine  le comportement  lors  de  la  mise  en  action  de  même  que  l'aptitude  opérationnelle  et  le comportement   en  accélération  du  moteur  chaud.    Le  volume vaporisé  à  150°C  ne  doit pas  être  trop  faible  afin  d'éviter  la  dilution  de  l'huile  lubrifiante, surtout si le moteur est froid.   

Figure 29 courbe de distillation 

Cette  courbe  représente  la  quantité  d'essence    distillée  en  fonction  de  la température.  La température atteinte  lorsque 10 % de  la quantité d'essence analysée est passée, donne une idée de la quantité de produits légers. Cette température se situe entre 50 et 60 °C. Le point 50 % nous  renseigne  sur  la  quantité  de  produits  moyens.  Il  se  situe habituellement  entre  90  et 110°C.  Le point 90 %, pour  les produits  lourds, entre 180°C et 190°C.  On  a  remarqué  que plus  le point 90 % est élevé, plus  le mélange se distribue mal dans les cylindres. On  définit  également  d'autres  points  caractéristiques  sur  cette  courbe comme le point  initial (38 °C) et le point final (< 200°C). L'allure de la courbe peut aussi être interprétée. Il existe une  différence  entre  les  essences  pour  l'été  et  les  essences  pour  l'hiver.  La  quantité  de  composés  facilement  vaporisables  est  plus  importante  en  hiver,  le  point  10  %  sera donc plus bas.  

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7.4 Caractéristiques des essences  Les  essences,  comme  les  carburants,  possèdent    des  caractéristiques  qui  leur  sont propres.   Le   pouvoir   calorifique   inférieur   PCI   et   le  pouvoir   calorifique   supérieur   PCS   sont   des grandeurs  caractérisant  le  contenu  énergétique  des  combustibles.    Pour  les  carburants dont les produits  de  combustion  contiennent de  l'eau,  seul  le pouvoir  calorifique PCI  (eau issue  de  la combustion  à  l'état  de  vapeur)  joue  un  rôle.  Les  composés  oxygénés,  tels  que les  alcools,  les éthers  et  les  diesters,  présentent  un  PCI  moindre  que  les  hydrocarbures, car  l'oxygène  qu'ils contiennent  ne  participe  pas  à  la  combustion.    A  puissance  égale,  la consommation est plus élevée   qu'avec   les   carburants   usuels.   Le  pouvoir  calorifique   inférieur   du   mélange air/carburant  conditionne  les  performances  du  moteur.  Pour  un  rapport  stœchiométrique donné,  il  est  sensiblement  identique  pour  tous  les  carburants liquides  et  gaz  liquéfiés  (de l'ordre de 3500 à 3700 kJ/m3).  Une deuxième caractéristique des essences est  leur masse volumique.  Selon  la  norme  en vigueur, la masse volumique des carburants doit être comprise entre 720 et 775 kg/m3.   De par  leur  teneur élevée en aromatiques,  les  supercarburants ont généralement une  masse  volumique  supérieure  à  celle  des  essences  ordinaires  et,  par  conséquent,  un pouvoir calorifique légèrement plus élevé.  La  pression  de  vapeur mesurée  à  38°  C  (100  °F)  est  avant  tout  une  grandeur  de  sécurité pour  la  manipulation  à  l'intérieur  des  réservoirs  automobiles.    Les  normes  limitent  la pression  de  vapeur  à  une  valeur  bien  déterminée.    En  Allemagne,  par  exemple,  elle  est limitée à 60 kPa en été et à 90 kPa en hiver. Dans le cas des moteurs modernes à injection, la  pression  à  38°  C  ne  permet  pas  de  décrire  les  dysfonctionnements  causés  par  la présence  de  bulles  de  vapeur.    Il est  plus  utile  de  connaître  la  pression  de  vapeur  à des  températures  plus  élevées  (80°C,  100°C).    Des  procédures  de  mesure  à  de  telles températures sont à  l'étude  ; une normalisation est  en  cours.    L'adjonction  de  méthanol se  traduit  par  une  forte montée  de  la  pression  de vapeur aux hautes températures.  Le  point  d'éclair  est  la  température  minimale  à  laquelle  il  faut  élever  un  liquide combustible pour que  les  vapeurs émises puissent  s'enflammer en présence d'une  flamme placée au‐dessus du liquide.  Pour des raisons de sécurité (transport, stockage), les gazoles relèvent de la classe de danger A 111 (point d'éclair > 55 °C).  Une faible quantité d'essence (moins  de  3  %)  suffit  à  abaisser  le  point  d'éclair  du  gazole  et  à  le  rendre  ainsi inflammable  à  la  température ambiante.  Enfin, notons la teneur en soufre dans les essences. Les  carburants destinés aux  systèmes d'injection  directe  (BDE,  GDI)  doivent  avoir  une  faible  teneur  en  soufre  en  raison  de  la présence  d'un  pot  catalytique.    Les  produits  de  combustion sulfureux    rendent    les   pots  catalytiques  inactifs par réaction avec le platine et formation d’un composé sans propriétés catalytiques : le sulfure de platine PtS. Pour  cette  raison  et  pour  diminuer  les émissions de  S02,  les  compagnies  pétrolières  seront  contraintes  à  l'avenir  de  réduire  encore davantage la teneur en soufre des carburants; une teneur < 10 ppm est souhaitable.    

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  7.5 Les types d’essences  Les  essences  sont  constituées  d'hydrocarbures  mélangés  à  une  certaine  quantité  de composés  oxygénés  organiques  et  d'additifs  améliorant  leurs  propriétés.  On  distingue l'essence  ordinaire  et  le  supercarburant.    Le  supercarburant    possède  un  meilleur pouvoir  antidétonant  et  est  destiné  aux  moteurs  à  taux  de  compression  élevé.    Par ailleurs,  les  indices  de  volatilité  des essences ne sont pas les mêmes en été qu'en hiver et peuvent différer d'une région à l'autre.    Les essences plombées  Les  essences  plombées  sont  interdites  depuis    janvier  2000.  Leur  distribution  sera encore permise  exceptionnellement  pendant  une  période  de  transition.  Dans  certains  pays,   des essences  plombées  continuent  cependant  d'être  commercialisées,  mais  elles sont  en  nette régression.   Les essences sans plomb  L'emploi  de  pots  catalytiques  pour  le  post‐traitement  des  gaz  d'échappement  oblige  à utiliser  de  l'essence  sans  plomb,  car  ce  métal  a  pour  effet  de  détériorer  le revêtement  en  métal précieux  (p.  ex.  en  platine)  des  catalyseurs  ainsi  que  les  sondes  à oxygène  utilisées  pour  la  régulation  de  richesse.  Les  essences  sans  plomb  sont  un mélange  de  composants  à  indice  d'octane  élevé.    Les  additifs  non  métalliques  utilisés pour améliorer  le pouvoir  antidétonant sont l'éther méthyl‐tertiobutylique (MTBE) à raison de 3 à 15% ainsi que des mélanges à base d'alcool  (méthanol 2 à 3 %,  alcools  supérieurs).  Depuis janvier 2000, la teneur en plomb est limitée à 5 mg/l.  7.6 La combustion  Une étincelle est déclenchée par le système d'allumage lorsque le piston approche de la fin de  la  course  de  compression.  Le  petit  noyau  de  flamme  ainsi  créé  se  propage  alors dans  le mélange  non‐brûlé.  Tant  que  ce  noyau  n'atteint  pas  une  taille  comparable  à l'échelle  de  la turbulence, celle‐ci n'a aucun effet sur la propagation. Cette première phase de combustion est donc  laminaire et dure entre 1 et 2 ms,  soit de 15 à 30°  vilebrequin à 2500 tours. Environ 10% de     la     masse     de     carburant     est     brûlée     à  la     fin     de    cette        première        phase.  C'est  dans  la  deuxième  phase  qu'a  lieu  l'essentiel  de  la combustion,  et  on  considère  qu'elle  recouvre approximativement  l'intervalle  [10‐90 %] de masse  de  carburant  brûlé.  C'est  la  phase  fondamentale  au  niveau  de  la  production  de travail  mécanique,  son  "calage  angulaire"  étant  déterminant.  L'avance  à  l'allumage  doit donc  tenir  compte de  la durée de  la première phase, afin que  la seconde débute toujours au  moment  adéquat.  La  fin  de  cette  phase  est  également assez  mal  définie,  mais  on  la place généralement peu après  le pic de pression, qui  intervient pour sa part entre 5 et 20° vilebrequin après le PMH. Cette deuxième phase a donc une "durée angulaire"   constante,   ce   qui   signifie   qu'elle   se   raccourcit   lorsque   le   régime   augmente, contrairement  à  la première phase. Elle est dominée par la turbulence, qui augmente avec le régime. Dans  la dernière  étape  de  la  combustion,  les    gaz  brûlés  deviennent  majoritaires  dans  la 

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chambre de combustion, donc la surface de contact entre mélange brûlé et mélange non‐brûlé diminue et la combustion ralentit.    Le  mélange  peut  s'enflammer  spontanément  au  contact  de zones  chaudes,  telles  qu'une soupape  d'échappement  ou  des  résidus  carbonés  de  combustion. Si  ce phénomène a  lieu avant l'étincelle de la bougie, on parle de « pré‐allumage ».  La  deuxième  anomalie  de  combustion  est  l'auto‐allumage  :  le  mélange  non‐brûlé  est chauffé par  radiation  et  comprimé  par  la  combustion,  et  peut  s'enflammer  avant  même d'avoir  été  atteint  par  le  front  de  flamme.  Ce  processus  est  beaucoup  plus  rapide qu'une  combustion normale,  et  s'apparente  à  une  réaction  en  chaîne,  qui  va  provoquer une  augmentation  très rapide  de  la  pression.  Les  vibrations  des  parois  de  la  chambre  de combustion  qui  en  sont  la conséquence sont directement audibles, c'est  le cliquetis. Pré‐allumage et auto‐allumage  sont étroitement  liés  :  le premier peut entraîner  le  second en favorisant  les  pics  de  pression,  le  second  peut  entraîner  le  premier  en  "détruisant"  la couche  limite  thermique  qui  "protège"  les  parois  de  la  chambre  de  combustion, multipliant ainsi  les points chauds sources de pré‐allumage.  La  combustion  est  la  réaction  entre  un  hydrocarbure  et  l'oxygène  de  l'air.  Cette  réaction est  exothermique  et  produit  théoriquement  de  l'eau  et  du  CO2.  Dans  le  cas  d’une combustion  imparfaite,  on  peut obtenir d'autres produits de combustion : CO, HC imbrûlés, H2,  etc.  Les  NOx  proviennent  de  l'air  que  l'on  utilise  au  lieu  de  l'oxygène  pur.  Ajoutons également tous les résidus comme le plomb, les solvants....    7.7 Indice d’octane des essences (pouvoir anti‐détonnant)  L'indice  d'octane  caractérise  le  pouvoir  antidétonant  d'une  essence.    Plus  l'indice  d'octane est  élevé,  plus  le  carburant  est  antidétonant.    Au  niveau  international,  deux  procédures permettent  de  déterminer  l'indice  d'octane  :  la  méthode    "Recherche"    (RON)  et  la méthode  "Moteur" (MON). Le RON est l'indice d'octane obtenu par la méthode « Recherche ».  Il  est  déterminant  pour  le  cliquetis  à  l'accélération.  Le  MON  est  l'indice  d'octane obtenu  par  la  méthode  « Moteur   ».    Il    intéresse   principalement    le   cliquetis   à   haut  régime.    La    méthode    MON    se  différencie  de  la  méthode  RON  par  le  fait  qu'il  y  a préchauffage  du  mélange,  par  un  régime  moteur  plus  élevé  et  par  une  avance  à l'allumage  variable  et  donc  par  une  plus  grande sollicitation  thermique  du  carburant  à analyser.  L'indice  MON  est  toujours  plus  faible  que l'indice RON. La valeur numérique de l'indice d'octane  (toujours  inférieure à 100)  indique  le pourcentage  volumique  d'iso‐octane C8H8  (2,2,4‐triméthylpentane)  d'un  mélange  additionné  d'heptane  C7Hl6  ayant,  dans  un moteur  d'essai,  le  même  pouvoir  détonant  que  le  carburant  à  analyser.  On  attribue  à l'iso‐octane  l'indice  100  (fort  pouvoir  antidétonant)  et  à  l'heptane  l'indice  0  (forte tendance détonante).       

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 La  méthode  "moteur"  (MON)  permet  la  détermination  sur  un  moteur  plus  proche  des moteurs conventionnels  et  donc  une  valeur  plus  proche  de  la  réalité.  C'est  cependant  la valeur  RON  qui  est  le  plus  souvent  utilisée.  Depuis  1922,  on  sait  que  l'ajout  de  0.5 gramme  de  plomb (tétraméthyl  ou  tétraéthyl)  par  litre  de  carburant  permet  de  gagner environ  5  points  d'indice d'octane.  Cependant,  la  nocivité  du  plomb  pour  les  organismes et pour  les pots  catalytiques fait     que     l'utilisation     en     est     aujourd'hui     interdite     dans     nombre     de     pays.  L’indice d’octane augmente quand :   

la longueur des chaînes carbonées diminue  le nombre de chaînes secondaires augmente (pour un même nombre d'atomes de C)  le nombre de structures cycliques (cycloalcanes et aromatiques) augmente  

L'indice    d'octane    peut    également    être    amélioré    par    l'utilisation    d'additifs    ;    les  composés  organométalliques  sont  les  plus  efficaces,  mais  les  plus  toxiques.  L'aniline (C6H5NH2)  est  un des  plus  efficaces  additifs  purement  organiques, mais  il  en  faut  pourtant environ 30 fois plus (en     masse)     que     de     plomb     tétraéthyl     pour     obtenir     les     mêmes  résultats. Des  expérimentations  ont  abouti  à  la  conclusion  qu'une  augmentation  d'1  point  de  l'indice  d'octane  permet  d'augmenter  d'1.5  à  2°  l'avance  à  l'allumage avant  de  voir  apparaître  la détonation.  L'indice  de  cétane  est  l'équivalent  pour  les  moteurs  diesel  de  l'indice  d'octane  pour  les moteurs à essence. Un carburant à haut indice de cétane est caractérisé par sa facilité à s'auto‐  allumer.  En  effet,  plus  le  carburant  résiste  à  l'inflammation,  plus  le  mélange  air‐carburant  aura  le  temps  de  se  former,  et  plus  la  combustion  sera  violente.  Ainsi,  les carburants  sont  comparés à  un  mélange  d'alpha‐méthylnaphtalene  (C10H7CH3)  et  de  n‐cétane  (C16H34),  auxquels  on  associe  respectivement  des  indices  de  0  et    de  100. Comme  on  peut  s'y  attendre,  l'indice d'octane  est  une  fonction  décroissante  de  l'indice de cétane,  la relation étant d'ailleurs à peu près linéaire.  Les  moteurs  à  allumage  commandé  fonctionnent  avec  des  flammes  pré‐mélangées,  ce qui impose un mélange proche de la stoechiométrie. On contrôle la puissance en sortie en faisant  varier  le  débit  d'air;  réduisant  ainsi  l'efficacité  du  cycle.    Pour  les  diesels,  en revanche,  on parle   plutôt   de   flammes   de   diffusion   (cf.   bougie   en   cire   ...),   et   le   mélange   n'est stoechiométrique  qu'aux  alentours  du  front  de  flamme.  La  puissance  est alors  contrôlée  en  faisant  varier  la  quantité  de  carburant  injecté,  ce  qui  permet  de substantielles  économies  à charge partielle. La vitesse limite de combustion laminaire d'un mélange  air‐hydrocarbures  est  de  l'ordre  de  0.5  m/s,  valeur  bien  insuffisante  dans  un moteur,  ce  qui  explique  l'importance  de  la  turbulence.  Cette  turbulence  est  le  fruit  des processus d'admission et de compression, et elle est influencée par le dessin de la chambre de combustion. Pour les flammes pré‐mélangées, la turbulence permet de "casser" le front de  flamme,  ce qui  permet d'en augmenter  la  surface et donc  d'accélérer  la  combustion. Elle  a  le  même  résultat  sur  les  flammes  de  diffusion  en  favorisant  la pulvérisation du carburant.  Le  pouvoir  antidétonant  de  l'essence  de  distillation  ordinaire  est  très  faible.    Seule l'adjonction  de  différents  distillats  antidétonants  permet  d'obtenir,  pour  les  moteurs 

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modernes, une essence conforme aux spécifications.   Un  indice d'octane doit alors être  le plus élevé possible sur toute la plage d'ébullition.     Les  hydrocarbures  à  structure  moléculaire  cyclique  (aromatiques)  et  à  chaînes  ramifiées (isoparaffines)  ont un plus  grand pouvoir  antidétonant que  les molécules  à chaîne   droite   (n‐paraffines).   L'alcool   (méthanol,   éthanol,   éther   méthyl‐tertiobutylique (MTBE) a un effet  bénéfique  sur  l'indice  d'octane,  mais  peut  présenter  des  inconvénients  (les  alcools augmentent la volatilité et peuvent engendrer des problèmes matériels).  Outre  la  composition  des  hydrocarbures  (composés  obtenus  par  raffinage),  la  qualité des  carburants  est  largement  déterminée  par  les  additifs.    Les  carburants  contiennent  en général de multiples composés organiques ayant des effets divers. Les  additifs  doivent  être  soigneusement  dosés  et  testés  de  façon  à  ne  pas  avoir d'effets secondaires   négatifs.       Le   dosage  et    le   mélange  sont,   d'une  façon  générale,  assurés  à  la raffinerie   au   moment   du   remplissage   des   camions‐citernes.      Il   est   dès  lors    interdit    aux  automobilistes  d'adjoindre  d'autres  additifs  dans  le  réservoir  de  leur véhicule.   7.8 Etude chimique de la combustion  Cette  méthode  a  pour  objectif  d'obtenir  un  coefficient  de  correction  dans  le  calcul  de la  température  de  flamme  entre  le  modèle  simplifié  théorique  décrit  ci‐dessous  et  la réalité.  Ce  coefficient  est  toujours  présent  dans  les  documents  cités  dans  la bibliographie.  Dans  cette étude,  nous  déterminons  la  température  de  flamme  théorique et  en  appliquant  le  coefficient correcteur,  cela  permet  d'obtenir  un  ordre  de  grandeur plus  réaliste  pour  la  température  de flamme.   Une   première   hypothèse   simplificatrice   va   être   faite.    Nous   considérons   que l’ensemble  des  réactions  se  produisant  lors  de  la combustion  se  réduit  à  l’équation  suivante  (la  réaction  est  considérée  comme  étant unique, complète et irréversible) : lorsque Φ < 1  (Φ représente la richesse du mélange).  L'ensemble  des  réactions  qui  ont  lieu  durant  la  combustion  se  réduisent  à  la  réaction d'équation suivante, où F est la richesse du mélange:  Φ C8H18 + 12.5 (O2 + 3.76 N2) → 8 ΦCO2 + 9 ΦH2O + 47 N2 + 12.5 (1‐Φ) (O2 + 3.76 N2)  Les gaz brûlés seront évacués à l'échappement. D'un point de vue technique, cette situation est quasiment impossible. Dans cette étude générale, par soucis de simplification.   7.9 Rapport air‐carburant  A partir de l’équation bilan nous pouvons trouver le rapport entre la masse de fuel et la masse d’air :    

R = Φ mC8H18/( 12.5 (mO2 + 3.76 mN2) R = Φ (12 x 8 +18)/[12.5 x (16 x 2 x 3.76 x 14 x 2] = 6.64 x 10‐2 

 

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 Pour une richesse Φ de 1, on trouve que R = 6.64 x 10‐2. Pour un kilogramme de mélange, nous  allons  ainsi  pouvoir  déterminer  les  quantités  de  fuel  et  d’air  consommées.  Soit  x la masse d’air et y la masse de fuel.  

 y + x = 1000 y/x =6.64x10‐2 

 Ce  qui  donne  après  calcul  y  =  938  g  et  x =  62  g.  A  partir  de  l'équation  bilan  ci‐dessus,  on obtient  que:  pour  1g  d'octane,  il  est  nécessaire  de  consommer  une  masse  mair  (en gramme) d’air équivalente à :  

 mair = 12.5 x (32 + 28 + 3.78)/(Φ x 114) = 15.11/Φ 

 Finalement, pour un kilogramme de mélange avec une richesse de 1, on obtient  : mess.= 62 g et mair  =  938  g.  On  constate  donc  que  la  quantité  d’air  utilisée  est  environ  15  fois plus importante que la quantité de fuel utilisée.   7.10 Etude de la vitesse de flamme  

Dans  la  plupart  des  ouvrages,  cette  vitesse  est  notée :  SL  (Laminair  Speed).  On introduit l'épaisseur de flamme notée : δL 

 

 

            

 L'effet de la richesse sur la vitesse de flamme laminaire de quelques hydrocarbures et du méthanol est représenté à la figure suivante pour une température et une pression données (300 K, 1 atm).

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Quantification de la vitesse de flamme :   

a) Vitesse de flamme laminaire  

A l'aide de la courbe d'évolution de la vitesse de flamme puis en considérant une richesse de 1 et  le  carburant  l'isooctane,  on  mesure  SL,o  qui  vaut  environ  32cm/s.  La  pression  et  la température de référence valent respectivement 1 atm et 300°K. De plus, on considère que le rapport P/P0  vaut approximativement 1 et que la température des gaz frais Tu vaut 600°K au début de la combustion (point mort haut). On obtient alors pour une moto de course une vitesse de flamme laminaire de 145cm/s. Cette vitesse  de  flamme  peut  être  assimilée  à  la vitesse  en  régime  de  ralenti,  c'est  à  dire  où  la turbulence est quasi inexistante et on peut considérer l'écoulement comme laminaire. Dans le cas de l'étude de la Formule1, les résultats obtenus sont une vitesse de flamme de 145 cm/s  

b) Vitesse de flamme turbulente  

Pour  ce  cas  d'étude,  on  se  place  à  un  haut  régime  de  fonctionnement  :  régime  nominal. Dans  le  cas  de  l'étude  de  la  moto  de  course,  nous  avons  un  régime  nominal  de  19000 tr/min.  On  fera,  en  première  approximation  à  l'ordre  0,  l'hypothèse  que  la  vitesse fluctuante  u'  est  la  vitesse  maximale  du  piston  ou  vitesse  moyenne  sur  le  cycle (fonctionnement  en  régime nominal et respect des contraintes dans le cahier des charges), c'est  à  dire  environ  35m/s.  Pour  ces  valeurs,  nous  trouvons  une  vitesse  de  flamme turbulente de 36 m/s. Dans  le cas de  l'étude de la Formule1, les résultats obtenus sont une vitesse de flamme de36.45 m/s. Notons bien que ces valeurs de vitesse de  flamme ne sont que  des  ordres  de  grandeurs  étant donné  le  peu  de  précision  de  certains  calculs  et  le nombre  important  de  relations  variées  donnant  la  valeur  de  la  vitesse  de  flamme turbulente. On constate donc bien que  la  turbulence augmente  la vitesse de  flamme. C'est pour  cela  qu'en  régime  rapide,  l'écoulement  turbulent  favorise  la  combustion  dû  au  fait qu'il  crée  une  vitesse de  flamme  plus  importante.  Dans  la  plupart  des  cas,  la  vitesse  de flamme laminaire n'est pas assez rapide. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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  7.11 Variation de la combustion selon le rapport pondéral  

Une  combustion  chimiquement  complète  est  obtenue  pour  un  rapport  pondéral  de  1/15 (rapport pondéral =  rapport masse de carburant  / masse d'air). Pratiquement,  la quantité d'air  est  insuffisante  et  il  faut  1/16  pour  avoir  une  combustion  complète,  c'est  à  dire  un rendement optimum. Une puissance maximum est obtenue pour de 1/12.5 environ.      

    

 

Figure 30 évolution de la puissance et de la consommation spécifique en fonction du rapport air carburant

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Nous allons étudier la variation des concentrations en O2, CO2, H2, HC imbrûlés et NOx avec le rapport pondéral.  

a) Azote  

La  quantité  d'azote,  de N2,  augmente  lorsque  la  quantité  d'air  augmente.  Si  le mélange est pauvre, on retrouve les NOx formés par combinaison avec l'oxygène. 

 b) Dioxyde de carbone CO2  

Dans  un  mélange  riche,  la  quantité  d'oxygène  est  insuffisante  pour  une  combustion complète.  La  quantité  de  CO2  sera  donc  faible.  Dans    un  mélange  pauvre,  (mais diminue  en  %)  la quantité de CO2 sera constante.  

c) Monoxyde de carbone CO  

De  même  par  manque  d'oxygène  dans  un  mélange  riche,  la  combustion  s'arrête  à  la formation  de  CO.  Plus  la  quantité  d'oxygène  va  augmenter,  plus  la  quantité  de  CO  va diminuer  au profit de CO2. Pour un rapport de 1/16, on ne retrouve pratiquement plus de CO. 

 d) Imbrûlés CXHY et hydrogène H2 

 Si la quantité d'oxygène est faible, il se peut que des hydrocarbures restent imbrûlés ou que se forme de l'hydrogène ou H2. Leur concentration diminue dès que le mélange s'appauvrit.  

e) Oxygène O2 

 

Dès  que  la  combustion  est  complète,  il  y  a  excès  d’air  et  donc  présence  d'oxygène dans l'échappement   Celui‐ci   apparaît   déjà   avant   le  rapport  1/15  théorique  car  pour avoir  une combustion complète il faut un excès d'air.  L’évolution des polluants est illustrée dans le graphique à la page suivante. 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

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Figure 31 évolution des polluants en fonction du rapport air carburant

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 7.12 Anomalies de combustion   a) Auto‐allumage.  Si  le  pouvoir  anti‐détonnant  n'est  pas  suffisant  pour  le  taux  de  compression,  le mélange air/essence peut s'enflammer de lui‐même et provoquer une explosion à un mauvais moment du  temps  moteur.  Cela  entraîne  un  mauvais  fonctionnement  et  des  dégradations  de  la mécanique.  b) Allumage par points chauds  Lorsque  la  combustion  est  incomplète  ou  que  des  résidus  solides  sont  présents  dans  le cylindre.  il  se  forme  des  gommes  et  de  la  calamine  sur  les  parois  internes  du moteur. Ces dépôts   chauffent   et   peuvent   enflammer    le   mélange    lorsqu'il   entre   en   contact  avec  eux, provoquant les mêmes ennuis que lors de l'autoallumage.  

c) Le cliquetis   

Le  rendement  thermodynamique  du  cycle  moteur  automobile  croit  lorsque  l’on 

augmente  le taux de compression, c’est‐à‐dire  le rapport du volume du cylindre  lorsque  le 

piston est  au point mort bas à  celui  correspondant au point mort haut. Mais  il  existe une 

limite supérieure à cet accroissement du taux de compression, limite au‐delà de laquelle le 

rendement décroît avec l’apparition d’un bruit de cognement métallique, appelé cliquetis.  

Sans entrer dans les détails, on peut trouver une explication relativement simple de 

ce phénomène en analysant brièvement  le mécanisme de combustion. En  fonctionnement 

normal,  c’est‐à‐dire  sans  cliquetis,  la  combustion  du  mélange  air‐essence,  initiée  par 

l’étincelle  de  la  bougie,  se  propage  en  ondes  concentriques  avec  une  vitesse  d’avance  du 

front  de  flamme  de  l’ordre  de  quelques  mètres  par  seconde.  Le  front  de  flamme  en  se 

développant comprime la partie encore non brûlée des gaz, en élevant sa température. Ces 

conditions de pression et température élevées sont favorables à la formation de composés 

suroxygénés  instables,  appelés  peroxydes.  Lorsque  leur  concentration  dans  le  mélange 

résiduel  imbrûlé  atteint  une  certaine  valeur,  ils  se  décomposent  brutalement,  provoquant 

une  explosion  ou  détonation,  caractérisée  par  une  très  grande  vitesse  de  propagation  de 

l’onde  qui  heurte  la  culasse  et  la  tête  du  piston,  avec  la  force  et  le  bruit  d’un  coup  de 

marteau.  

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Les  conséquences  de  ce  cliquetis  sont  d’ordre  mécanique  et  thermique.  La 

détonation engendre des efforts anormaux sur l’embiellage du moteur et des piqûres sur 

la tête du piston. Mais, en général,  les moteurs courants sont construits pour résister au 

cliquetis. 

 

7.13 Annexe : Les carburants pour la F1 

 

Le  carburant utilisé dans  les  voitures de  Formule 1  est  de  l’essence  Super  sans plomb.  Les 

caractéristiques de ces essences sont soumises à  la  réglementation de  la Fédération  Internationale 

Automobile (FIA).  

Ainsi, ces essences ne peuvent contenir que : 

  Unités  minimum  maximum Des paraffines       Des oléfines  % (v/v)  0  18 Des dioléfines  % (m/m)  0  1 Des naphtènes       Des aromatiques  % (v/v)  0  42 Des additifs oxygénés       

 

  Les seuls additifs oxygénés autorisés sont : 

méthanol  éthanol  isopropanol  n‐propanol 

isobutanol  tertiobutanol  n‐butanol  Sec‐butanol 

méthyltertiobutyléther  ethyltertiobutyléther  tertioamylméthyléther  diisopropyléther 

 

Les caractéristiques de distillation sont reprises dans le tableau ci‐dessous : 

Température  % de Volume minimum distillé  % de Volume maximum distillé 70°C  15  50 100°C  46  70 150°C  75   180C  85   

Le point d’ébullition maximum doit être de 215°C Le résidu de distillation ne peut pas dépasser les 2% en volume 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Voici  quelques  caractéristiques  que  les  essences  doivent  présenter.  Les  carburants  n’entrant  pas 

dans cette description ne sont pas autorisés pour la compétition.  

caractéristiques  unités  Minimum  Maximum RON  ‐  98  102 MON  ‐  85   

Oxygène  % (m/m)    2,7 Azote  % (m/m)    0,2 

Benzène  % (v/v)    1,0 Pression de vapeur  hPa  350  600 

Plomb  g/l    0,005 Masse volumique  Kg/m3  725.0  780.0 

Soufre  Mg/kg    150  

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      Les carburants gazoles ou gasoil (Diesel) sont un mélange de différents hydrocarbures dont le  point  d'ébullition  se  situe  entre  180°C  et  370°C.    Ils  sont  obtenus  par  distillation progressive du pétrole brut.    Les  raffineries  incorporent par  ailleurs  au  gazole de plus  en plus  de  produits de  conversion  obtenus  par  craquage,  autrement  dit  par  fractionnement des  grosses  molécules  des  pétroles  bruts.    Les  exigences  relatives  aux  gazoles  sont spécifiées  dans  des  normes  en vigueur   dans    tous    les    pays    européens.        Le    tableau  donné  en  fin  de  texte  résume  les caractéristiques essentielles de cette norme.  8.1 Fonctionnement du moteur diesel  

Le principe du moteur diesel a été  inventé par Rudolf Diesel,  ingénieur  allemand en 1893. A  l’origine,  le moteur  fut  conçu    non  pas  pour  tourner  avec  du gazole,  mais  pour  fonctionner  avec  des  huiles végétales.   Comme  le  moteur  thermique  à  essence,  le  moteur Diesel  est  constitué  de  pistons  coulissants  dans  des cylindres,  fermés  par  une  culasse  reliant  les  cylindres aux  collecteurs  d'admission  et  d'échappement  et munie  de  soupapes  commandées  par  un  arbre  à cames. Son fonctionnement repose sur l'auto‐inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute dans de l'air comprimé et dont la température est portée de 600 °C à 1 500 °C environ. Une fois le carburant injecté et  donc  pulvérisé,  celui‐ci  s'enflamme  presque 

instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre repoussant  le  piston  qui  fournit  une  force  de  travail  sur  une  bielle,  laquelle  entraîne  la rotation du vilebrequin.             

Chapitre 8 : Les gazoles 

Figure 32 Rudolf Diesel

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 Les quatre temps du cycle Diesel sont :  

• Admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston  

• Compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermée  

• Injection ‐ combustion ‐ détente : peu avant le point mort haut on introduit, par un injecteur, le carburant qui se mêle à l'air comprimé chaud. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. 

 • Echappement :  les  gaz  brûlés  sont  éjectés  par  l'ouverture  de  la  soupape 

d'échappement, poussés par la remontée du piston.    8.2 Indice de cétane.  Le  moteur  diesel  fonctionnant  sans  allumage  externe,  l'auto‐inflammation  du  carburant doit  avoir  lieu  dans  un  laps  de  temps  aussi  court   que  possible  (délai  d'inflammation) après  son  injection    dans    l'air    comprimé    chaud    de    la    chambre    de    combustion.      L'inflammabilité  caractérise  l'aptitude  d'un  carburant  diesel  à  s'auto  enflammer.    Elle s'exprime  par  l'indice  de  cétane.    Plus  l'indice  de  cétane  est  élevé,  plus  le  gazole s'enflamme facilement.   On attribue au cétane (hexadécane), très  inflammable,  l'indice de cétane 100 et au méthylnaphtalène, très peu inflammable, l'indice de cétane 0.  La   mesure   s'effectue   sur   un    moteur   d'essai.       Les   moteurs   modernes   réclament   pour  fonctionner    dans    de    bonnes    conditions    (bonne     régularité    cyclique,    faibles   émissions  polluantes)  un  indice  de  cétane  supérieur  à  50.    Les  gazoles  de  qualité contiennent  une  proportion  importante  de  paraffines  à  indice  de  cétane  élevé.    Les hydrocarbures aromatiques, fréquents dans les composés obtenus par craquage, réduisent en revanche l'inflammabilité.  Un  autre  paramètre  de  mesure  d'inflammabilité  est  l'indice  de  cétane  calculé,  obtenu par  calcul  à  partir  de  la  masse  volumique  et  des  points  de  la  courbe  d'ébullition.  Contrairement à l'indice de cétane mesuré, il ne fait pas apparaître l'action positive exercée par les additifs.  8.3 Comportement aux basses températures  En  se  cristallisant  partiellement,  certains  hydrocarbures  paraffiniques  risquent,  aux basses températures,   de   provoquer   le   colmatage   du   filtre   à   carburant   et   donc   une  coupure   de l'alimentation.      Dans   des   conditions   défavorables,   la   cristallisation   peut  débuter   à   une température  de  l'ordre  de  O'C,  voire  au‐dessus.    Les  gazoles  de  type  « hiver  »  font  l'objet  d'une  sélection  et  d'un  traitement  particulier.  En  règle  générale, l'incorporation  à  la  raffinerie  d'additifs    fluidifiants    donne    de    bons    résultats.    Ils  n'empêchent   pas    la   cristallisation   des paraffines,   mais    limitent   considérablement    la  croissance  cristalline. 

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 Les  cristaux  qui  se forment  sont  tellement minuscules  qu'ils  passent  à  travers  les  pores du  filtre.    L'adjonction d'autres additifs permet de maintenir ces cristaux en suspension et d'abaisser encore davantage la température limite de filtrabilité.  La  résistance  au  froid  est  mesurée  selon  une  procédure  normalisée  permettant  de déterminer  la  température  limite  de  filtrabilité  (« CFPP  =  Cold  Filter  Plugging  Point  »).   Cette  norme  distingue  plusieurs  classes  pour  différentes  conditions  climatiques  (p.  ex. été/hiver).  Pour  améliorer  la  résistance  au  froid  des  moteurs  diesel,  on  avait  coutume dans  le  passé  de  mélanger  au  gazole  du  kérosène  ou  de  l'essence  ordinaire  dans  le réservoir, De nos jours, cela n'est plus nécessaire et même déconseillé par les constructeurs automobiles.  8.5 Propriétés des gazoles.  

a) Masse volumique.  

Le pouvoir  calorifique du gazole dépend de  sa masse  volumique  ;  il  est  d'autant meilleur que  la  masse  volumique  est  élevée.    Pour  un  calage  donné  de  la  pompe  d'injection (dosage volumétrique  constant),  le  pouvoir  calorifique  inférieur  et  donc  la  composition du  mélange  diffèrent  suivant  l’utilisation  d’un  gazole  plus  ou  moins  dense.    Les variations  de  masse volumique se traduisent soit par une augmentation des émissions de particules de suie (densité élevée), soit par une perte de puissance (faible densité).  

b) Domaine d’ébullition.  

Le  domaine  d'ébullition  influe  sur  les  caractéristiques  de  fonctionnement  du  gazole.    Un point  d'ébullition  inférieur  relativement  bas  améliore  le  comportement  à  froid,  mais entraîne  une  diminution  de  l'indice  de  cétane  ainsi  qu'une  dégradation  des caractéristiques  de  graissage  et  donc  une  augmentation  du  risque  d'usure  de l'équipement  d'injection.    Un  point  d'ébullition  final  élevé  améliore  le  rendement  de combustion  (meilleure  exploitation  du  pétrole  brut),  mais  favorise  en  contrepartie  la formation de suie et le calaminage des injecteurs (dépôts de résidus de combustion).  

c) Viscosité.  

Une  viscosité  est  une  grandeur  physique  caractérisant  la  « résistance »  interne  à l’écoulement  d’un  fluide.  Cette  « résistance »  est  due  au  force  de  frottement  d’ordre électrostatique des molécules.  La  viscosité  cinématique d’un diesel,  s’exprimant en  centi‐Stoke,  est  de  l’odre de 12  cSt,  soit  12  fois  plus  visqueux que  l’eau.  La  viscosité  du diesel influence l’écoulement et la finesse de la pulvérisation dont finalement dépendra la qualité de  la  combustion.    Une   v i s cos i t é   t rop   faible  entraîne  des  fuites  au  niveau  de  la pompe  d'injection  et  donc  une  perte  de  puissance.    Par  contre,  une  viscosité  trop élevée  a  des  effets  néfastes  sur  la  formation  des  jets.  La viscosité des carburants diesel doit donc se situer dans des limites très serrées. Une étude de la viscosité sera réalisée en laboratoire de chimie de seconde année.     

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d) Pouvoir lubrifiant.  

En  régime  hydrodynamique,  le  pouvoir  lubrifiant  joue  un  rôle  beaucoup  moins important  qu'en  régime  de  lubrification  mixte.    Les  gazoles  «  verts  »  désulfurés  par hydrogénation,  qui sont  commercialisés  depuis  peu,  donnent  lieu  à  de  graves  problèmes d'usure  sur  les  pompes  d'injection  distributrices.    Afin  d'éviter  ces  problèmes,  des additifs  de  lubrification  doivent être adjoints aux gazoles.   Le pouvoir  lubrifiant se mesure en réalisant un essai d'usure haute fréquence (HFRR = high frequency reciprocating rig).   

e) Le point d’écoulement  

Le  diesel  est  un  mélange  de  divers  composés  présentant  des  températures  de  fusion différentes. Il n’existe donc pas de passage de l’état liquide à l’état solide. Par contre, lors d’une  diminution  de  température,  la  viscosité  va  augmenter  progressivement  jusqu’à  ce que  le  diesel  « cesse »  d’être  un  liquide  et  s’approche  de  la  structure  d’un  solide,  il s’épaissit.   Le point d’écoulement, exprimé en °C, est la température à partir de laquelle un composé commence à  s’écouler, par diminution progressive de  sa viscosité.  Le point d’écoulement du diesel est  fixé à  ‐12  °C en hiver. Sa valeur détermine  les conditions de préchauffage à envisager par  temps  froid et peut être abaissé par des additifs. En pratique, un temps de préchauffage plus long peut être constaté en démarrant une voiture en hiver ;    

f) Teneur en soufre  

La  teneur  en  soufre  des  carburants  Diesel  est  fonction  de  la  qualité  du  pétrole  brut  et des produits d'adjonction.  Parmi ces produits, les composés obtenus par craquage ont une teneur  en  soufre  particulièrement  élevée.    Celle‐ci  peut  cependant  être  abaissée  en raffinerie par un traitement  à  l'hydrogène  (hydrodésulfuration). Lors  de  la  combustion dans  le  moteur,  le soufre  se  transforme  en  anhydride  sulfureux  (SO2).     En  raison  de  la  nocivité  (acidité)  de l'anhydride sulfureux rejeté dans l'atmosphère par les gaz d'échappement, une teneur limite en soufre a dû être fixée par le législateur.   Abaissée à  plusieurs  reprises  ces  dernières  années,  la  teneur  limite  en  soufre  est  de  350  mg/kg depuis  le  1er  janvier  2000.    En  présence  d'un  catalyseur  d'oxydation,  le  soufre  se combine avec  la suie  (dépôt de sulfure sur  la suie).    La masse  des  rejets  de  particules  est d'autant  plus  faible  que  la  teneur  en  soufre  est  petite. Présent en trop grande quantité, le  soufre  détériore  par  ailleurs  les  catalyseurs  de  dénitration  (traitement  des  NOx.).  Des concentrations inférieures 10 ppm sont souhaitables.  

g) Indice de cétane  

L’indice  de  cétane  caractérise  le  délai  d’allumage  du  diesel  qui  correspond  au  temps d’écoulement  entre  le  moment  où  la  soupape  de  l’injecteur  s’ouvre  et  fait  pénétrer  le combustible  dans  la  chambre  et  le  moment  où  se  produit  le  début  de  la  combustion.  Le moteur diesel fonctionnant sans allumage externe, l’auto‐inflammation du carburant doit avoir lieu dans un  laps de  temps aussi  court que possible après son  injection dans  l’air  comprimé 

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chaud  de  la  chambre  de  combustion.  Dès  lors,  un  carburant  à  haut  indice  de  cétane  est caractérisé  par  une  haute  tendance  à  l’auto‐inflammation  (but  recherché  des  diesels,  mais néfaste pour les essences)    Comme  pour  les  essences,  une  méthode  de  classification  du  pouvoir  détonnant  du  diesel existe et est basée sur deux hydrocarbures : le n‐cétane (C16H34) encore appelé hexadécane, et l’alpha‐méthylnaphtalène C10H7CH3 . Le premier possède un haut pourvoir détonnant et l’on a fixé  son  indice  de  cétane  à  100.  L’alpha‐méthylnaphtalène,  par  contre,    possède  un  faible pouvoir  détonnant  et  son  indice  de  cétane  est  égal  à  0.    Comme  pour  l’indice  d’octane,  le principe de mesure est simple :  il s’agit de comparer  la combustion du diesel avec celle d’un mélange n‐cétale/alpha‐méthylnapthalène à divers  ratios dans un moteur  étalon,  le moteur CFR (pour Cooperative Fuel Research).   Si le carburant présente le même délai d’allumage que le mélange de référence analysé, ils ont le même indice de cétane. Les moteurs modernes réclament des carburants d’indice de cétane supérieur à 50, et ce pour fonctionner de manière optimale.  Le diesel de qualité contient une proportion  importante de paraffines à  indice de cétane élevé. Par contre,  les hydrocarbures aromatiques, fréquents dans les composés obtenus après les divers traitements en raffinerie, réduisent l’inflammabilité. Ajoutons qu’il existe des additifs améliorateurs d’indice de cétane.   

h) Tendance au calaminage (résidus charboneux)  

La  tendance  au  calaminage  mesure  l'aptitude  des  carburants  à  former  des  dépôts  de résidus charbonneux  sur  les  injecteurs.    Les  processus  du  calaminage  sont  complexes  et difficiles  à décrire.  Les  constituants  du  gazole  agissant  en  fin  d'ébullition  (notamment les  composés obtenus par craquage) influent fortement sur le processus de calaminage.  

 8.6  Additifs.  Pour améliorer leur qualité, les carburants diesel contiennent de plus en plus fréquemment des  additifs,  le  plus  souvent  des  ensembles  de  composés  organiques  ayant  des  effets divers.    La  teneur  totale  en  additifs  est  généralement  <    0,l  %  de  manière  à  ne modifier  ni  la  masse volumique, ni la viscosité, ni la courbe d'ébullition du carburant.  

a) Additifs fluidifiants  Ces  additifs  composés  de  substances  polymères  ne  sont  généralement utilisés qu'en hiver (voir « Comportement aux basses températures »). 

  b) Améliorateurs d’indice de cétane 

 Ce  sont  des  esters  d'acide  nitrique  à  base  d'alcools  influant  sur  le  processus  de combustion  de  façon  à  réduire  le  niveau  sonore  et  les émissions de particules. 

  

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c) Additifs dispersants  Les  additifs  dispersants  (ou  détergents)  minimisent  le  calaminage  des  injecteurs  et améliorent la formation du mélange en maintenant propre le système d'admission. 

   d) Inhibiteurs de corrosion  Ces additifs préviennent la corrosion des pièces métalliques (en cas de pénétration d'eau dans le système d'alimentation en carburant). 

  e) Additifs anti mousses  Ils  empêchent  la  formation  de  mousse  et  facilitent  ainsi  le  remplissage  du réservoir.  

f) Diméthyléther (DME)  

Ce  composé  est  un  produit  synthétique  à  haut  indice  de  cétane.    Sa  combustion  dans un moteur  diesel  génère  peu  de  suie  et  d'oxyde  nitrique.    En  raison  de  sa  faible  masse volumique et  sa  forte  concentration  en  oxygène,  il  présente  un  faible  pouvoir  calorifique. En outre, son état    gazeux    nécessite    une    modification    du  système      d’injection.    D’autres    éthers (diméthoximéthane, di‐n‐pentyéther, etc.) sont actuellement à l’étude.  

 

8.7  Liquéfaction du charbon  Pour  réduire  les  émissions  de  polluants,  certains  pays  (p.  ex.  la  Suède  et  la Californie) imposent  l'emploi  de  gazoles  dit  «  verts »  ou   favorisent  leur  utilisation  par un  allégement  fiscal.    Il  s'agit  de  carburants  à  point  d'ébullition  final  et  teneur  en aromatiques  réduits,  avec  une  teneur  en  soufre  quasi  nulle.    Utilisés  tels  quels,  ces nouveaux  gazoles  provoquent  une  usure  importante  des  systèmes  d'injection  et attaquent  les  matériaux  élastomères.    On  est  obligé  de  leur  adjoindre  des  additifs spécifiques. 

  Les  matériaux  de  départ  sont  principalement  le  charbon  et  le  coke.  Ils  sont  tout d'abord  transformés  en  gaz  à  l'eau  (H2  +  CO)  puis  convertis  catalytiquement  en hydrocarbures.    Ces  hydrocarbures  peuvent  donner  de  l'essence  et  du  gazole,  les  sous‐produits étant le gaz liquéfié et la paraffine.  La synthèse de Fischer‐Tropsch a surtout joué un  rôle  important  en  Afrique  du  Sud,  où  de  grandes  installations  industrielles  ont  été construites selon ce procédé. 

  

   

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 Dans  le  but  de  tirer  un  maximum  de  carburant  du  pétrole,  on  a  été  amené  à  utiliser les produits  plus  lourds  et  plus  légers  que  l'essence.  Les  produits  plus  légers  ont  donné  le LPG. De plus ces produits présentent de nombreux avantages pour peu d'inconvénients.  Le  LPG est  composé de butane et de propane.  La concentration de ces deux produits varie selon origines et les saisons:  

70 % de butane et 30 % de propane en été. 50 % de butane et 50 % de propane en hiver. 

 Ces  valeurs  ne  sont  pas  tout  à  fait  respectées,  et  on  retrouve  d'autres  hydrocarbures  en tant  qu'impuretés.  Le  LPG  est  facilement  liquéfiable  par  augmentation  de  pression.  Cela permet de le stocker facilement et de le transporter dans des réservoirs sous environ 8 bars.  Installation :   La    législation    concernant    les    moteurs    équipés    au    LPG    est    très    stricte   (emplacement,  matériel,...),  ce  qui  donne  de  bonnes  garanties  de  sécurité.  Il  s'agit  d'un réservoir de + ou – 60 1  résistant  à  une  pression  de  10  bar  et  relié  au  moteur  par  un détendeur  qui  assure  une pression constante et règle le débit.  Corrosion :  Le  LPG  gazeux  peut  réagir  avec  certains  métaux  et  avec  le  caoutchouc,  il  faut  donc taire attention aux matériaux employés.  La  combustion étant plus  complète  le moteur est beaucoup moins  encrassé  qu'avec  l'essence.  Le  résidu  de  combustion  étant  inexistant,  il n'y  a  pas  de dilution des huiles de carter.  Combustion :  

Pour ce qui est de la combustion, l’équation générale est : HC + O2  Æ CO2 + H2O. Mais en cas de  combustion  incomplète,  on  peut  constater  présence  de  CO,  d'H2,  et  même d'hydrocarbures  imbrûlés.  La  combustion  du  LPG  est  particulièrement  propre  car  le mélange  air  (Oxygène)  ‐  LPG  (hydrocarbures)  est  très  homogène  et  que  la  carburant contient très peu de résidus. 

 

Consommation :  Le pouvoir calorifique est d'environ 30 % inférieur à celui de l'essence, mais le rendement de combustion est supérieur. La surconsommation est donc d'environ 12 %.  Pollution :   L'indice  d'octane  étant  assez  élevé,  il  n'est  pas  nécessaire  d'ajouter  de  plomb  au  LPG, le moteur est déjà polluant. De plus la combustion est plus complète donc de CO rejeté.  

Chapitre 9 : Gaz de pétrole liquéfié (GPL ou LPG) 

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Entretien :  Il est semblable à celui d'un moteur essence. Les bougies sont moins vite encrassées mais la température d'utilisation est plus élevée. (>500 °C). L'huile est moins vite dégradée car il n'y a pas de dilution de l’huile et moins d'usure (pas de particules abrasives). 

 a) Gaz naturel volatil (GNV) 

 Il  s'agit  principalement  de  méthane  comprimé.    Sa  combustion  ne  produit  que  très  peu de polluants.   Caractérisé par un rapport H/C plus élevé que celui des autres carburants,  il génère  aussi  moins  de  C02.    Le  GNV  est  utilisé  à  titre  expérimental  à  la  fois  pour  les moteurs  diesel et  pour  les  moteurs  à  essence.    Dans  le  cas  des  moteurs  diesel,  il  n'y  a pratiquement aucune formation de suie.  Utilisation du GNV oblige néanmoins à transformer les véhicules.  Quelques autres types de carburants existent :  Alcools carburants, émulsions, diesters…                                

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     10.1 Composition d’une huile  Le principal constituant des huiles est bien sûr l'huile de base (entre 80 et 90%). Il peut s'agir d'une seule huile ou d’un mélange. Elles peuvent être naturelles ou synthétiques.  Les  huiles  naturelles  sont  des  composés  tirés  du  pétrole  par  la  distillation  sous  vide. Les  qualités  des  huiles  de  base  obtenues  varient  suivant  la  teneur  en  différents hydrocarbures constituant cette huile. Suivant la provenance, on retrouve 3 types d'huiles :  

Les paraffiniques riches en composés saturés.  Les naphténiques riches en composés cycliques.  Les benzéniques riches en composés du benzène.  

Les huiles de synthèse, plus chères, sont de très bonnes qualités car  ils sont pratiquement faits  à    la    "carte".    Ils    se    composent    d'esters    de    diacides,    esters    de    polyols,   hydrocarbures  aliphatiques  et  éthers  de  polyglycols.  Par  rapport  aux  huiles  actuelles,  les synthétiques ont une plage   d'utilisation   beaucoup   plus   grande   (‐30   °C   à   +250   °C),   une  meilleure    propriété  lubrifiante,  une  plus  grande  résistance  à  l'usure  par  fatigue,  une stabilité  thermique  et  un indice de viscosité plus élevé, et donc une longévité accrue. 

 Les  huiles  minérales  sont  les  produits  de  distillation  et  de  raffinage  du  pétrole  ou  du charbon.  Elles  se  composent  de  nombreux  hydrocarbures  de  structures  chimiques diverses.    Selon  la  nature  des  structures  dominantes,  on  parle    d'huiles  à  tendance paraffinique  (hydrocarbures  saturés  linéaires),  naphténique  (hydrocarbures  saturés cycliques  ayant,  en  général,  5  ou  6 atomes   de   carbone   périphériques)   ou   aromatique   (ex.    alkybenzènes).Les    propriétés  physico‐chimiques  de  ces  huiles  peuvent  différer fortement.  10.2 Mesure de la viscosité  La viscosité est une grandeur physique qui mesure la résistance interne à l’écoulement d’un fluide, 

résistance due au frottement des molécules qui glissent les unes contre les autres. 

Plusieurs grandeurs physiques sont reliées à la viscosité : 

� Viscosité dynamique η   :  soit une  force de  frottement F  s’exerçant à  la  surface de séparation de 

deux  couches  et  qui  s'oppose  au  glissement  d'une  couche  sur  l'autre.  Cette  force  F  est 

proportionnelle  à  la  différence  de  vitesse  des  couches  soit  dv,  à  leur  surface  S  et  inversement 

proportionnelle à dx qui correspond à l’épaisseur de fluide séparant les deux couches.   

 

 

 

Le facteur de proportionnalité η est le coefficient de viscosité dynamique du fluide. 

Chapitre 10 : Les huiles 

Page 97: Chimie Combustion

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Dans  le système  international  (SI),  l'unité de viscosité est  le Pa.s ou Poiseuille  (Pl),  tandis que dans 

l’ancien système d'unités (CGS) : l'unité est le Poise (Po) ; 1 Pl = 10 Po 

Le  rapport  F/S  correspond  au  taux  de  cisaillement  et  le  rapport  dv/dx  représente  le  gradient  de 

vitesse existant entre les deux couches de fluide. Dés lors, à partir de l’équation précédente, on peut 

écrire que : 

 

 

 

Figure 33 Viscosimètre Brookfield 

Afin  de  déterminer  la  viscosité  d’un  échantillon  à  différentes 

températures, vous utiliserez au laboratoire un viscosimètre rotatif de 

type Brookfield. Celui‐ci permet d’utiliser différents accessoires selon 

la nature du  fluide et  la  gamme de viscosité  à mesurer,  notamment 

différents  arbres  ou  différents  ensembles  arbre/cylindre.  L’appareil 

est équipé d’un bain thermostatisé et d’une sonde de température. Il 

est également possible de faire varier la vitesse de rotation de l’arbre 

de manière à rester dans la gamme correcte de mesure du couple M 

qui est donné par le viscosimètre.  

   Ainsi,  considérons  un  arbre  cylindrique  de  rayon  Ra  et  de  longueur  L  tournant  avec  une 

certaine vitesse angulaire ω  dans un cylindre  contenant  l’huile à étudier.  Si  ce  cylindre a un  rayon 

intérieur Rc et  si M est  la  valeur du  couple  résistant  à  la  rotation  (valeur  lue  sur  le  viscosimètre), 

pour une température donnée, on peut facilement déterminer le taux de cisaillement par application 

de la formule suivante :   

 

 

 

   Concernant le gradient de vitesse, si on utilise un arbre et un cylindre qui ont des diamètres 

très proches, on pourra écrire que : 

 

 

 

   

Page 98: Chimie Combustion

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Finalement, à partir de ces deux formules, on détermine la valeur de la viscosité η à une température 

donnée.  L’essai  consiste  alors  à  relever  différentes  valeurs  de  couple M  et  à  tracer  un  graphique 

correspondant  à  l’évolution  de  la  viscosité  en  fonction  de  l’augmentation  progressivement  de  la 

température  de  l’huile.  On  peut  ainsi  déterminer  l’indice  de  viscosité  (voir  laboratoire)  qui  est  un 

nombre  caractérisant  la  variation de  la  viscosité de  l’huile  en  fonction de  la  température.  Plus  cet 

indice est élevé et plus la variation de viscosité est faible, et inversement.  

�  Viscosité  cinématique  ν  :  est  le  rapport  de  la  viscosité dynamique  η  et  de  la  masse 

volumique ρ. Cette grandeur est utilisée lorsque l’on ne souhaite pas tenir compte de l’influence de 

la  température  sur  la  masse  volumique  du  fluide.  Dans  le  système  international  (SI),  l'unité  de 

viscosité  cinématique  est  le  m2/s,  tandis  que  dans  l’ancien  système  d'unités  (CGS)  :  l'unité  est  le 

Stoke (St) ; 1 m2/s = 106 cSt. 

 

 

 

 

Par exemple, une huile dont  la viscosité cinématique est de 25 cSt à 20 °C sera 25 fois plus 

visqueuse que l'eau. 

 � La fluidité : est l'inverse de la viscosité dynamique  

On  sera  donc  particulièrement  attentif  à  la  variation  de  la  viscosité  en  fonction  de  la 

température. En effet, le fonctionnement du moteur ne se produit pas à température constante. Au 

démarrage et particulièrement en hiver,  l’huile est  froide et visqueuse ; puis,  lorsque  le moteur est 

en régime, la température de l’huile se stabilise entre 80 et 100°C dans le carter, mais atteint 200°C 

et  plus  dans  le  film  qui  recouvre  les  cylindres.  Il  faut  donc  qu’entre  ces  limites,  l’huile  assure  ses 

diverses fonctions. 

 10.3 Viscosité d’une huile  La  viscosité  d'une  huile  pour  moteur  doit  être  choisie  avec  rigueur.  C'est  en  effet  elle qui  conditionne  la  tenue  de  l'huile  face  à  bon  nombre  des  fonctions  à  remplir.  A  froid,  la viscosité doit  être  assez  faible  pour  assurer  le  démarrage,  l'étanchéité  du  moteur  et  la lubrification rapide du cylindre. A chaud,  la viscosité doit être suffisante pour maintenir un film d'huile sur les parois afin de lubrifier correctement les pièces et empêcher la corrosion.  La viscosité est une caractéristique propre à chaque liquide. C'est en quelque sorte l'image des  forces  d'attraction  entre  les  molécules  du  fluide.  On  parle  encore  d'onctuosité, d’épaisseur. L'inverse  de  la  viscosité  est  la  fluidité.  Lorsqu'on  veut  déplacer  une  portion de  fluide  par rapport  à  une  autre  portion  fixe,  on  rencontre  une  force  résistante  de  frottement.  Cette dernière est fonction de la vitesse de déplacement, de la distance entre 

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les deux portions, de la surface  et  aussi  du  fluide  lui‐même.  La  viscosité  est  ainsi  la  force nécessaire  par  unité  de surface  pour  maintenir  entre  deux  portions  de  fluides,  distants de  h  à  une  vitesse  v.  Elle s'exprime en Pa.s (MKS) ou en Poise (CGS).   

Pour  éliminer  l'influence  de  la  température  sur  la  masse  volumique  du  fluide,  on  utilise plutôt la   viscosité   cinématique   qui   est   égale   à   la   viscosité   dynamique   divisée   par   la   masse  volumique.  Elle  s'exprime en m2/s  (1 mm2/s = 1  cS  t)  (MKS) et en Stokes  (CGS). On exprime aussi la viscosité en d'autres unités qui sont des unités relatives telles que le degré Engler,  le degré Redwood,... Ces unités sont définies par le procédé qui permet de mesurer la  viscosité,  comme  par  exemple  la  facilité  avec  laquelle  le  fluide  peut  s'écouler  au travers  d'un  orifice calibré.  La  viscosité  est  utilisée  pour  identifier  les  huiles.  On  peut  ainsi  classer  les  huiles  dans des  catégories  définies  qui  sont  utilisées  par  les  services  administratifs.    On  parle  de classification SAE.  La  viscosité  doit  être  choisie  assez  élevée pour  maintenir  un  film  sur les  parois  mais  assez  faible  pour  ne  pas  trop  augmenter  les frottements  fluides.  C'est donc  un  critère  de  choix  important.  Sur  les  huiles  en  service  la variation  de  la  viscosité peut  être  un  indicateur  de  la  dégradation  de  réglages  du  moteur  (dilution,  additifs usés,…).  

       

           La  viscosité  varie  essentiellement  avec  la  température.  Lorsque  la  température augmente  la viscosité  diminue.  D'abord  très  rapidement,  ensuite  de moins  en moins  vite et enfin très peu lorsqu'on approche les 80 °C. Ceci correspond à une courbe hyperbolique.  On peut également introduire la notion d’indice de viscosité. Obtenu  par  calcul,  cet  indice caractérise  la  variation  de  la  viscosité  d'un  produit  à  base  d'huiles  minérales  en fonction  de  la  température.    Plus  l'indice  est  élevé,  moins  la  viscosité  dépend    de    la  température.    D'après    ce    qui    précède,    la    viscosité    doit    augmenter    avec    la température.  Or,  c'est  l'inverse  qui  se  produit.  Il  faut  donc  essayer  que  la  diminution la viscosité soit la plus faible possible. Cette variation est mesurée par l'indice de viscosité. 

igure 35 Evolution de la viscosité d'une huile en fonction de la température

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 La  classification  internationale  SAE  (Society  of  Automotive  Engineers)  prend  en  compte comme  critère  principal  la  viscosité  du  lubrifiant.    Elle  ne  renseigne  pas  sur  la  qualité de l'huile.      Il   est   fait   la   distinction   entre   huiles   monogrades   et   multigrades.      Les   huiles multigrades sont aujourd'hui les plus répandues.   Le classement s'effectue en deux catégories repris dans le tableau suivant :   

Classe de Viscosité SAE 

 

Viscosité apparente à ‐18°C en mPa.s 

Viscosité cinématique à 100°C en mm²/s 

      Min  Max 5W  …  1250  3.8   10W  1250  2500  4.1   15W  2500  5000  5.6   20W  5000…10000  5.6   20      5.6  < 9.3 30      9.3  < 12.5 40      12.5  < 16,3 50      16.3   

 La   catégorie   « W   »   (Winter   =   hiver)   définit   les   caractéristiques viscométriques  à froid.    Les  grades  de  viscosité  symbolisés  par  la  lettre    «  W  »  ,  sont  classés  selon  la viscosité maximale à basse température, la température maximale de "pompabilité" à froid et  la  viscosité  minimale  à  100°C.    Les  grades  de  viscosité  sans  la  lettre    « W »  ,  ne prennent en compte que la viscosité à 100 °C. La classification SAE des huiles est basée sur la  viscosité  de  ces  huiles  à  100  °C.  Pour  les  huiles  de  type  hiver.  On  tient  compte également d'une viscosité maximum à froid et d'une température limite de pompabilité.  Les  huiles  qui  entrent  à  la  fois  dans  une  catégorie  été  et  dans  une  catégorie  hiver  sont dites  multigrades.  Elles  ont  un  indice  de  viscosité  très  élevé  et  caractérisées  par  une pente très faible dans  le  diagramme  viscosité  ‐  température  en  coordonnées  doublement logarithmiques.  Les  huiles  multigrades  pour  moteurs  ont  comme  particularité  que  la caractéristique  viscosité‐  température  est  une  droite.  La  diminution  de  la  viscosité  en fonction  de  la  hausse  de  température est donc  inférieure à celle des huiles monogrades. Le symbole d'une huile multigrade se compose des symboles des classes de viscosité dont les exigences de viscosité apparente à ‐10°C  et  de  viscosité  cinématique  à  100  °C  sont remplies.  Par  exemple,  pour  une  huile  multigrade  10  W‐30  SAE  a  une  viscosité apparente de 1500 mPa.s à  ‐18  °C  (SAE 10 W) et une viscosité cinématique de 10 mm2/s à 100  °C  (SAE  30).  Cette  huile  couvre  trois  classes  de  viscosité  et  assure  une  bonne lubrification à basses et à hautes températures.  

 

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Figure 35 : Allures des droites représentant les variations de viscosité, dans un diagramme viscosité température en coordonnées logarithmique des huiles multigrades.

Les huiles multigrades sont des huiles dont la viscosité varie peu en fonction de la température. Elles réduisent les frottements et l'usure, peuvent être utilisées toute l'année. En cas de démarrage à froid, elles assurent une lubrification rapide et optimale de tous les composants du moteur.

8.3 Les huiles moteurs. La tâche première des huiles moteurs est d'assurer la lubrification des pièces mobiles des moteurs à combustion interne. Mais elles ont aussi d'autres fonctions : réduire l'échauffement des pièces induit par le frottement, évacuer les particules d'usure, neutraliser les impuretés, les garder en suspension et prévenir la corrosion des surfaces de frottement. D'une part, par interposition d'un film d'huile entre les surfaces en contact, le lubrifiant diminue le coefficient de frottement et ainsi la puissance perdue par frottement. L'huile doit également réduire l'usure du moteur. On distingue trois formes d'usure : la corrosion, l'abrasion et l'érosion. La corrosion est due aux agents oxydants qui peuvent se former dans l'huile. Par exemple, l'eau contenue dans l’huile peut réagir avec les dérivés soufrés de la combustion pour former de l'acide sulfurique. L'huile, en formant un film protecteur, protége le métal de l'action de ces produits. L'usure par abrasion est due à la présence dans l'huile de particules solides provenant de l'usure par corrosion ou par abrasion. Il faut maintenir ces particules en suspension dans l'huile pour éviter les contacts avec la paroi. C'est grâce à la détergence de certains additifs que cela est possible. L'érosion vient du contact métal sur métal, surtout à froid lorsque l'huile n'est pas encore présente dans tout le moteur. Il faut utiliser une huile dont la viscosité est suffisamment faible à froid pour lubrifier rapidement le haut du cylindre.

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D'autre part, surtout à froid, l'huile doit contribuer à l'étanchéité entre le piston et le cylindre afin d'éviter une pollution trop rapide du carter par les résidus d'essence. Il faut donc une huile assez fluide à froid de manière aussi à ne pas gêner les démarrages.  Enfin,  l'huile  doit  garder  les  surfaces  de  pièces  dans  un  état  de  propreté  maximum  en dispersant les dépôts dans la masse afin d'assurer  leur  élimination  lors  de  la  vidange.  De plus,  l'huile doit également contribuer à  l'élimination d'une grande quantité chaleur. Pour ce faire,  elle  doit  circuler  librement  sans  présenter  de  résistances,  par exemple  à  cause  de  sa viscosité. La  fluidité  de  l'huile  permet  de  véhiculer  les  calories  et de  refroidir  ainsi  le moteur.  Cette fluidité permet aussi l'étanchéité à froid.  Les  huiles  moteurs  les  plus  usitées  sont  les  huiles  minérales  avec  additifs  (huiles  HD  : Heavy Duty  :  huiles pour  service  sévère).    Les exigences  imposées devenant  toujours plus strictes et les  intervalles  de  vidange  de  plus  en  plus  longs,  on  a  de  plus  en  plus  souvent recours à des huiles synthétiques ou semi‐synthétiques (huiles minérales hydrocraquées p. ex.).  La  qualité des  huiles  dépend  de  leur  origine,  du  procédé  de  raffinage  de  l'huile  de base  (sauf pour  les huiles synthétiques) et des additifs qu'elles contiennent.  10.4 Les additifs.  Agents  ajoutés  au  lubrifiant  pour  améliorer  ses  propriétés.    Certains  additifs  améliorent les propriétés physiques (p. ex. additifs améliorant l'indice de viscosité, additifs abaissant le  point  d'écoulement)  et  d'autres  confèrent  au  lubrifiant  de  nouvelles  propriétés  (p. ex.  inhibiteurs  d'oxydation,  de  corrosion).    De  même,  ils  peuvent  provoquer  une modification des surfaces en contact,   p.   ex.   par    l'intermédiaire   de   modificateurs   de  frottement,    d'agents    anti‐usure    et  d'additifs  antigrippage  (extrême  pression).    Pour éviter  les  effets  antagonistes,  les  additifs  doivent  être  choisis  en  fonction  des  autres constituants du lubrifiant. On distingue les familles d'additifs suivantes: 

 

  additifs améliorant l'indice de viscosité,  additifs abaissant le point d'écoulement,  inhibiteurs d'oxydation, de corrosion,  agents détergents et dispersants,  additifs extrême pression (additifs EP),  modificateurs de frottement,  agents antimousses. 

 a) Les agents polaires  Les    molécules    à    groupement    bipolaire    se    fixent    solidement    sur    les    surfaces  métalliques  (adsorption).       Elles   augmentent    l'adhérence   et    la    capacité   portante,   et  agissent  donc  en réducteur  de  frottement  et  en  réducteur  d'usure.    Sont  des  agents  à structure  polaire  :  les esters,  les  éthers,  les  polyglycols  et  les  acides  gras.  Pour  garder le  moteur  propre,  il  faut  maintenir  les  impuretés  en  suspension  dans  l'huile  afin qu'elles  viennent  dans  le  carter  et  soient  éliminées  lors  des  vidanges.  Les  additifs détergents  décollent  les  impuretés  des  parois  et  les  dispersants  viennent  les emprisonner  dans  leurs  groupements  polaires.  Grâce  à  une chaîne organique, lipophyle, ils sont solubles dans l'huile et entraînent avec eux les résidus  

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   b) Bisulfure de Molybdène  Lubrifiant  solide  de  structure  lamellaire.  Les    forces   de    cohésion   qui   maintiennent  les  différentes  couches  sont  faibles,  ce  qui  favorise  le  déplacement  des  couches  les unes  par  rapport    aux    autres   moyennant    des    efforts    de    cisaillement    relativement  faibles,    Il    n'y    a  réduction  du  frottement  que  si  le  MoS,  est  appliqué  sur  une  surface métallique sous une forme appropriée, p. ex. associé à un liant (vernis de glissement à base de MoS,).  c) Le graphite  Lubrifiant   solide   de   structure    lamellaire.    Le   pouvoir    lubrifiant   du   graphite   est   très  bon lorsqu'il  est  associé  à  l'eau  (air  humide,  p.  ex.),  à  une  atmosphère de  gaz  carbonique ou à des huiles.  Sous vide, son effet réducteur de frottement est nul.                                 

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        Les  graisses  sont  des  huiles  lubrifiantes  épaissies.  La  plupart  des  graisses  contiennent de  l'huile  minérale  comme  composant  liquide.  Toutefois,  pour  les  points  de  friction fortement sollicités, on emploie aussi de plus en plus des huiles synthétiques. Les graisses sont  à  utiliser  lorsque  l'usage  d'une  huile  n'est  pas  indiqué.  C'est‐à‐dire  lorsqu'il  faut éviter  les  pertes  de  lubrifiant.  S'il  n'est  pas  possible  d'emprisonner  le  lubrifiant  autour du  site  de  travail,  une  graisse  par  son  adhérence,  remplira  mieux  qu'une  huile  ses fonctions,  en  restant  accrochée  à  la  pièce.  Lorsque  le  milieu  est  agressif  à  cause  de  la présence d'eau ou de poussière, la graisse forme une barrière protectrice pour elle‐même et  pour  la  pièce  lubrifiée.  Il  n'est  parfois  pas  possible  de  plonger  les  pièces  dans  bain d'huile ou de brouillard. Dans ce cas le lubrifiant doit adhérer  à  la  pièce  à  lubrifier.  Une  graisse   remplit   très   bien   cette   fonction.   Grâce   aux propriétés  soulevées  ci‐dessus,  les graisses conviennent  très bien pour  lubrifier des endroits difficiles d'accès.  Cependant, les graisses sont moins résistantes que les huiles. C'est en fait le savon qui peut se dégrader   et   on   retrouve   alors   une   huile   simple   alors   que   celle‐ci   ne   convient   pas nécessairement  pour  le  travail  demandé.  Il  y  a  donc  des  restrictions  à  l'emploi  des graisses  bien  que  certains  additifs  suppriment  ces  inconvénients.  Les  graisses  ne conviennent  pas  pour  les  pièces  animées  d'une  grande  vitesse.  Elles  s'échauffent  et perdent  leur  consistance.  Une  graisse  ne  peut  pas  être  utilisée  lorsqu'il  doit  y  avoir élimination de  chaleur.  Si  la  vitesse des pièces  augmente  trop  fort,  si  la  charge  est  trop élevée,  il  y  aura  surchauffe  de  la  graisse  et  liquéfaction. Enfin, à haute  température,  les additifs ne fonctionnent plus correctement.   Les  agents  épaississants  appropriés  sont  des  substances  qui  gonflent  dans  l'huile.  Les plus couramment  utilisés  sont  les  savons.  Un  savon  est  un  acide  gras  qui  a  été  neutralisé par  un métal. Selon  le  type de savon (acide gras, cation) et  le procédé de fabrication,  il se forme des micelles de savon de différentes formes. Selon la nature du savon (épaississant), les  graisses  auront  une  meilleure  tenue  face  à  l'eau  et  aux  élévations  de  température. L'huile de base est alors  incorporée  par  la  structure  saponacée  spongieuse  naissante  et est  maintenue  par  des  forces  capillaires.  Les  agents  épaississants  jouent  un  rôle quantitativement  secondaire  dans  les  graisses  de  lubrification.  Les  graisses  lubrifiantes peuvent  contenir  des  additifs  et  des  lubrifiants  solides  pour  améliorer  certaines propriétés.        

Chapitre 11 : Les graisses 

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Type de graisses :   La  graisse  au  sodium  de  texture  spongieuse  et  d'aspect  fibreux.  Résiste  bien  à  la température et à la pression, mais pas du tout à l'eau et au froid (durcissement important.) La  graisse  au  calcium de  texture  butyreuse  et  d'aspect  lisse.  Résiste  très  bien à  l'eau et  au froid(durcit  peu),  elle  est  aussi  très  adhérente.  Sa  tenue  face  à  la  température  est mauvaise.  La  graisse  à  l'aluminium  très  l'eau  filante  et  très  adhérente.  Les    graisses    au   lithium,   d'aspect   lisse   et   filantes,   ont   de   nombreux   avantages.   Elles conviennent pour tous  les  types  de  graissages.  Les  graisses  savons  complexes  d'alumine  sont  encore supérieures  à  celles  aux  savons  de  lithium  en  ce  qui  concerne  la  résistance  à  la température et à  l'eau. De plus elles possèdent des propriétés de  réversibilité,  c'est à dire que lorsqu'elles dépassent le point goutte (TG de fusion de la graisse) et au refroidissement, l'huile et le savon se recomposent parfaitement.  Actuellement, certaines graisses ne contiennent plus de savon. Le savon est remplacé par un agent épaississant très finement dispersé dans une huile de viscosité voulue. De telles graisses résistent aux très hautes températures. 

 Comme  pour  les  huiles,  il  faut  toujours  éviter   de  mélanger  plusieurs  graisses.  Lors d'un changement on peut utiliser une graisse  faite du même savon mais dans  les autres cas, il faut nettoyer les pièces avant de modifier la nature de la graisse.   

                          

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     Le  liquide  de  frein  est  le  fluide  hydraulique  utilisé  pour  transmettre  aux  roues  l'effort exercé  sur  la  pédale  de  frein.  Pour  garantir  un  freinage  correct  en  toutes circonstances,  il  doit satisfaire  à  des  exigences  très  sévères,  spécifiées  dans  différentes normes  au  contenu  très similaire.    Les  exigences  minimales  font  désormais  force  de  loi aux  Etats‐Unis  et  servent  de  référence  dans  le  monde  entier.  Le  «   Département   of  Transportation  »  (DOT)  a  classé  les  liquides  de  frein  en  différentes  classes  de  qualité suivant leurs propriétés et performances reprises dans le tableau ci‐dessous :     

 

Chapitre 12 : Liquide de frein 

Caractéristiques : POINT D'EBULLITION SEC

Le point d'ébullition sec renseigne sur la résistance thermique du liquide de frein. La sollicitation peut être très élevée, notamment au niveau des cylindres de roues (points du système de freinage où les températures atteintes sont les plus élevées). Si la température dépasse le point d'ébullition, des poches de vapeur se forment (phénomène connu sous le nom de tampon de vapeur) l'effort de freinage ne peut donc plus être transmis aux roues. POINT D'EBULLITION HUMIDE

Le point d'ébullition humide est l'équivalent du point d'ébullition sec, mais après absorption d'une certaine quantité d'eau, dans des conditions normalisées (3,5 % environ). Dans le cas des liquides hygroscopiques (à base de glycol) notamment, l'absorption d'eau se traduit par un baissement important du point d'ébullition. Du fait du grand nombre de groupements OH sur les molécules constitutives, ces liquides de frein sont très avides d'eau. Comme ils sont en contact permanent avec l'air atmosphérique, la teneur en eau augmente continuellement en cours d'utilisation. La mesure du point d'ébullition humide renseigne sur les performances d'un liquide de frein usagé. Les liquides de frein absorbent inévitablement de l'humidité, essentiellement par diffusion à travers les flexibles de frein. Ce phénomène oblige, sur les véhicules automobiles, à renouveler le liquide de frein tous les 1 à 2 ans. La figure ci-après montre, pour deux liquides de frein différents, comment varie le point d'ébullition en fonction de la quantité d'humidité absorbée.

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Viscosité :   Pour  garantir  un  freinage  correct  dans  toute  la  plage  de  fonctionnement  (de  ‐  40°C  à  + 100°C),  il  faut que  la viscosité du  liquide de  frein varie  le moins possible en  fonction de  la température.    Les  systèmes  ABS/ASR/ESP  ont  besoin  d'une  faible  viscosité  aux  basses températures. Elle doit être la plus faible possible et varier le moins possible en fonction de la température.  Protection contre la corrosion :   Etant en contact avec plusieurs matériaux différents. il ne faut pas que le liquide se dégrade et doit  résister  aux  attaques  chimiques  et  électrolytiques  des  matériaux.  A  l'inverse,  la norme  exige  des  liquides  de  frein  qu'ils  n'attaquent  pas  les  métaux  habituellement utilisés  dans  les  systèmes  de  freinage.    La  protection  anticorrosion  nécessaire  est obtenue  par  adjonction d'additifs.  Compatibilité avec les élastomères :    Les  élastomères  utilisés  dans  les  systèmes  de  freinage  doivent  être  compatibles  avec  le liquide de  frein.   Un  léger  gonflement  des  élastomères  est  souhaitable, mais  il  ne  doit  en aucun cas excéder 10 % sans quoi ces composants perdraient en résistance.  Les liquides de frein  à  base  de  glycol  ne  doivent  jamais  entrer  en  contact  avec  des  huiles  minérales (liquide  de  frein  à base d'huile minérale, solvant).  La présence d'une quantité même infime d'huile minérale peut entraîner  la  destruction  des  composants  en  caoutchouc  (garnitures, etc.)  et,  par  conséquent, une défaillance des freins.                       

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   Le  fonctionnement  des  moteurs  provoque  un  important  dégagement  de  chaleur  dû  à  la combustion.    La  quantité  de  chaleur,  qui  ne  peut  pas  être  transformée  en  travail, doit  être  évacuée  par  le  système  de  refroidissement.    Le  principe  utilisé  consiste  à dissiper  dans  l'air  au  moyen  d'un  échangeur  thermique  (radiateur)  la  chaleur excédentaire  évacuée  de  la  région cylindre‐culasse par un fluide caloporteur.   Le fluide utilisé  est  soumis  à  une  forte  sollicitation  thermique  et  ne  doit  pas  attaquer  les matériaux  utilisés  dans  le  système de  refroidissement (corrosion). 

 Caractérisée    par    une    chaleur    massique    élevée    et    donc    une    grande    capacité  d'absorption thermique,  l'eau  s'est  très  vite  imposée  comme  étant  le  meilleur  liquide de  refroidissement.  Ses  inconvénients  résident  dans  ses  propriétés  corrosives  et  son mauvais  comportement  au  froid  (gel).  Pour  garantir  un  fonctionnement  correct  du système de  refroidissement,  en  toutes circonstances, des additifs doivent être adjoints à l'eau. 

 Pour  abaisser  le  point  de  congélation,  de  l'éthylène  glycol  est  ajouté  à  l'eau.    Les mélanges  glycol‐eau  ne  gèlent  pas  à  une  température  précise.    A  partir  d'une  certaine température  (point  de    congélation),    des    cristaux    de    glace    se    forment  progressivement  dans  le  liquide  sans entraver  la  circulation du  fluide dans  le  système de  refroidissement.    Le  glycol  a  par  ailleurs pour  effet  d'élever  le  point  d'ébullition  de l'eau. Les constructeurs automobiles préconisent en général  des  mélanges  standard  qui assurent  une  protection  efficace  contre  le  gel  jusqu  aux températures précisées dans les notices d'utilisation des véhicules. 

 Le  liquide  de  refroidissement  doit  contenir  des  additifs  empêchant  l'oxydation  du glycol (engendre  des  produits  très  corrosifs)  et  la  corrosion  des  métaux  utilisés  dans  le système  de  refroidissement.    Principaux    additifs    utilisés    inhibiteurs    de    corrosion    :  silicates,    nitrates,  nitrites,  sels  alcalins,  acides  organiques,  dérivés  de  phénothiazole, additifs tampons (borates), additifs antimousse (silicones). 

 Certains  de  ces  additifs  peuvent  se  décomposer  en  cours  d'utilisation  et  altérer  ainsi  la qualité  du  liquide  de  refroidissement.    Pour  éviter  ce  risque,  les  constructeurs n'homologuent que les liquides qui offrent une grande stabilité. 

       

Chapitre 13 : Liquide de refroidissement 

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  La   première   guerre   mondiale   terminée,   des   stocks   considérables   de   nitrocellulose   se  retrouvèrent  sans  utilisation.  Peu  de  temps  auparavant,  cette  nitrocellulose  était destinée  à  la  fabrication  de  munitions,  désormais  inutiles.  Quoi  faire  de  ce  stock ?  Les chimistes  se  sont penchés  sur  le  problème  afin  de  trouver  une  application  possible  à cette  matière.  Une  des  propriétés  ainsi  découvertes de  la nitrocellulose est  son pouvoir filmogène, après dissolution.  C’est    ainsi    que    naquirent    les    premières    peintures    dites    «  cellulosiques  »,  essentiellement  composées    de    nitrocellulose,    de    plastifiant    et    de    stabilisant.   L’utilisation    de    pigments  minéraux  fut  ensuite  remplacée  par  d’autres  d’origine synthétique et organique, associés à un mélange  de  collodion  et mis  en  solution  dans  des solvants  de  type  acétate  de méthyle  et  de butyle. C’est sous cette forme que la peinture cellulosique fut commercialisée à l’époque.  Cette  nouvelle  composition  répondait  bien  aux  problèmes  de  la  mise  en  peinture  en chaîne,  offrant  des  temps  de  séchage  beaucoup  plus  courts,  car  contenant  des  solvants beaucoup plus volatiles   que   l’ancienne   peinture   à   l’huile.   Parallèlement,   le   matériel   d’application   a également   évolué,   avec    l’apparition   des   pistolets   à   air   comprimé,   qui   autorisent   une pulvérisation homogène et rapide.  Toutefois,  cette  nouvelle  peinture  ne  présente  pas  que  des  avantages.   Elle  « consomme » beaucoup  de  solvants  très  inflammables,  et  polluants  ‐  à  l’époque,  ce n’était  pas  une  grosse préoccupation  ‐, mais  surtout,  elle  n’offre  qu’un  pouvoir  garnissant peu  important.  En  effet, son  film  après  séchage  est  très  mince,  d’où  la  nécessité  de  plusieurs   applications,   afin d’obtenir  l’épaisseur  souhaitée.  De  plus,  elle  ne  permet  pas d’obtenir  un  brillant  direct,  d’où obligation  de  procéder  à  des  opérations  de  polissage et  de  lustrage.  Ces  opérations  sont d’ailleurs  à  refaire épisodiquement après  l’achat de la  voiture,  car  ces  peintures  cellulosiques vieillissent mal,  jaunissent,  et  se matent.  Il  est bien  évident  qu’au  cours  de  ces  opérations  de  «  rajeunissement  »,  une  fine  couche  de peinture  est  éliminée  à  chaque  fois,  ce  qui  implique,  à  la  longue,  de  refaire  « un  voile », pour  le  bonheur des  carrossiers  et  de  leurs  fournisseurs  de peinture.  L’arrivée de  résines synthétiques  a  permis  une  amélioration  notable  de  la  qualité  de  brillance  et  de vieillissement, sans toutefois atteindre ce que nous obtenons actuellement.  Une    dizaine    d’années    avant    la    Seconde   Guerre   Mondiale,    arrivent    les    premières  résines industrielles, dites « glycérophtaliques ». Les peintures cellulosiques. Ces peintures s'appliquent  très  bien  au pistolet avec une pression de 3 à 4 bars et un débit d'air de 100 l/min.  

  

Chapitre 14 : Peinture pour l’automobile 

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Peinture en bombe :   Ces  peintures  présentent  de  très  bonnes  performances  de  tenue  à  l’extérieur,  de résistance  chimique  liées  à  leur  comportement  vis  à  vis  des  agressions mécaniques.  Leur séchage et leur durcissement  se  réalisent  à  une  température  comprise  entre  20  et  60°  C, donc  relativement basses,  conditions  nécessaires  au milieu  de  la  réparation.  De  plus,  les résines  de  base  sont  peu  colorées  et  permettent  l’obtention  de  produits  tels  que  des bases  pigmentées  ou  des  vernis plus vifs et plus clairs que dans d’autres milieux  La  peinture acrylique :  on  la  trouve en bombe dans  les boutiques d'accessoires  auto.  Elle est  d'excellente  qualité,  facile  à  passer,  et  tient  bien  à  l'essence  et  aux  huiles.  Comme l'indication  "  acrylique  "  apparaît  rarement  sur  la  bombe,  il  faut  vérifier  dans  la documentation  disponible dans  le  magasin.  Mais  si  la  bombe  porte  les  mentions  " pour carrosserie  auto  ",  il  y  a  peu  de  doute,  c’est  bien  de  la  peinture  acrylique.  On  trouve également  de  la  peinture  cellulosique  en bombe  en  grande  surface  mais  attention  à  la compatibilité  de  cette  peinture  avec  les  autres. Les  motos  d'avant  1960  étaient  peintes avec  cette  peinture.  En  cas  de  restauration,  il  faut impérativement en retirer toute trace. A  défaut,  on  aura  une  dégradation  rapide  de  la  nouvelle  décoration, des  cloques,  stries, craquelures, même si un apprêt a été utilisé.  La  peinture  «  haute  température  »,  destinée  aux  tuyaux  de  poêle,  peut  être  utilisée pour  les  pots  d'échappement,  cylindres  et  autres  pièces  devant  supporter  de  hautes températures. Ils en existent  plusieurs,  à  base  de  silicone,  qui  supportent  jusqu'à  800 °C. Ces  peintures  doivent  être  cuites  à  une  température  de  200  °C  pour  sécher  à  cœur.  S'il s'agit  d'un  cylindre  de  moteur,  c'est  facile,  il  sèchera  sur  place.  Pour  d'autres applications,  il  faudra  les  faire  cuire,  par exemple dans  le  four ménager, en montant en température  lentement.  200 °C. Attention :  si vous utilisez  une peinture  au  silicone dans un  local,  et  que  vous  voulez  peindre  ensuite  votre moto dans  le même  local,  vous aurez certainement  des  problèmes  de  bulles,  de  trous,  et  autres  yeux  sur  vos  pièces  de carrosserie. Et alors là, une seule solution, tout poncer et recommencer.  Peinture à électrophorèse :   Le  principe  de  cette  technique  est  un  peu  plus  vieux  que  l’automobile,  car  inventé  par un  nommé  Reuss,  au  début  du  XIXème  siècle.  Il  fut  repris  au  profit  de  l’automobile,  et amélioré au  début  des  années  1960.  Nous  savons  que  l’électricité  va  toujours  d’un  pôle à  l’autre  et  nous  venons  de  voir  que  l’immersion  est  le  meilleur  moyen  d’atteindre  les corps creux d’une carrosserie. Le bain de peinture sera donc chargé électriquement, créant ainsi un courant entre ce bain et les parties métalliques des caisses, reliées à l’autre pôle.  Les  premiers  principes  étaient  l’anaphorèse,  la  peinture  étant  chargée  négativement  et les  caisses,  positivement  (anode).  Cette  solution  fut  ensuite  améliorée,  par  inversion  des pôles,  la  cataphorèse.  La  peinture  est  alors  chargée  positivement  et  les  pièces métalliques  reliées  au pôle négatif (cathode).  Cette nouvelle technologie apporte l’avantage de ne pas dissoudre le métal de la cathode et de faire appel à des liants à caractère inhibiteur de corrosion. C’est bien le but recherché !Peinture  époxy  :  il  s'agit  d'une  peinture  passée  au  pistolet,  en  s'aidant  du  phénomène 

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appelé  électrophorèse  :  la  peinture  spéciale  est  projetée  sur  le  subjectile  (la  pièce  à peindre)  après  l'avoir  chargée  à  une  haute  tension  par  rapport  au  subjectile.  Par attraction  électrostatique,  la  peinture  se  dirige  seule  vers  la  surface  à  peindre  et  atteint tous  les  recoins.  La  pièce  est  ensuite  cuite  dans  un  four  avec  un  profil  de  température étudié.  Excellents  résultats,  mais  réalisables  uniquement  par  des  professionnels  équipés. Très utilisé dans  l'automobile et  l'électroménager. On  trouve  aux  Etats‐Unis  des  kits  pour amateurs.  Mais  la  simple  lecture  du  mode  d'emploi  pour  préparer  les  pièces  est dissuasive... De plus, la pièce à peindre doit absolument être mise à nue par ponçage ou par sablage complet.  Plusieurs  couches  fines    sont  préférables  à  une  couche    épaisse,  parce  qu'avec  une couche  unique,  les  solvants  qui  diluent  les  pigments  ont  du  mal  à  s'évaporer.  On  peut même  arriver  à  la  situation  dans  laquelle  la  couche  superficielle  est  sèche,  mais  la peinture  interne  ne  l'est  pas,  parce  que  précisément  la  couche  superficielle  fait  barrage vers l'air ambiant aux solvants.  Pourquoi  plus  d'une  couche  ?  Parce  que  quand   on  passe  une  couche  de  peinture,  il existe  toujours  des  endroits  où  cette  couche  est  rompue  :  bulle,  trou,  rayure. L'efficacité  de  la  protection  est  alors  détruite.  Par  ailleurs  le  subjectile  n'est  pas parfaitement plan. Ce n'est pas un  miroir.  Par  conséquent,  il  existe  çà  et  là  des  pointes, des  crêtes,  qui  peuvent  ne  pas  être  recouvertes  par  la  couche  unique.  En  passant  une deuxième couche, la probabilité pour qu'un trou  se  forme  là où  il  y en avait déjà un  sur  la première  couche  est  quasi  nulle.  Les  crêtes seront  recouvertes. Mais dans  le  trou ou sur la  crête,  il  n'y  aura  qu'une  épaisseur  de  peinture. En passant une troisième couche, voire une quatrième, on est tranquille.   Une  description  plus  exhaustive  des  peintures  pour  automobiles  sera  faite  au  cours  de deuxième année.                    

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Bibliographie     

« COURS DE CHIMIE APPLIQUEE AU DOMAINE DE L’AUTOMOBILE » 

Notes de cours de J. PLUMAT – Edition 2005‐ Haute Ecole Roi Baudouin –Institut Reine 

Astrid de Mons 

 

« COURS DE CHIMIE GENERALE »  

Notes  de  cours  de  P.  DASCOTTE  –  Edition  1997  ‐    Haute  Ecole  Roi  Baudouin  –Institut 

Supérieur Industriel Catholique du Hainaut à Mons 

 

« NOTION DE BASE A L’ELECTROCHIMIE »  

Notes  de  cours  de  J‐P  PINGOT  –  Edition  1998  ‐    Haute  Ecole  Roi  Baudouin  –Institut 

Supérieur Industriel Catholique du Hainaut à Mons 

 

« PILES A COMBUSTIBLE – LES TECHNIQUES DE L’INGENIEUR» 

P. STEVENS – Edition 2000 – Edition WEKA  

              

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Annexe : Tableau périodique des éléments   

    Une version « papier » vous sera donnée au premier cours. Il est convenable de s’en munir lors des séances et évaluations.             

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FIN